[论文解读] Constraints on neutrino electric millicharge from experiments of elastic neutrino-electron interaction and future experimental proposals involving coherent elastic neutrino-nucleus scattering

A. Parada|arXiv (Cornell University)|Jul 10, 2019

Neutrino Physics Research被引用 7

一句话总结

本文对现有的反应堆中微子-电子散射（ENES）数据进行了统计分析，并预测了未来相干弹性中微子-核散射（CENNS）实验在约束中微子电荷微小量方面的灵敏度。研究发现，ENES联合限界为 $-1.1\times 10^{-12}e < q_\nu < 9.3\times 10^{-13}e$（90% 置信水平），而未来CENNS的预期限界为 $-1.8\times 10^{-14}e < q_\nu < 1.8\times 10^{-14}e$（90% 置信水平），表明CENNS作为未来更严格约束中微子电磁性质的强有力探针具有高度前景。

ABSTRACT

In several extensions of the Standard Model of Particle Physics (SMPP), the neutrinos acquire electromagnetic properties such as the electric millicharge. Theoretical and experimental bounds have been reported in the literature for this parameter. In this work, we first carried out a statistical analysis by using data from reactor neutrino experiments, which include elastic neutrino-electron scattering (ENES) processes, in order to obtain both individual and combined limits on the neutrino electric millicharge (NEM). Then we performed a similar calculation to show a estimate of the sensitivity of future experiments of reactor neutrinos to the NEM, by involving coherent elastic neutrino-nucleus scattering (CENNS). In the first case, the constraints achieved from the combination of several experiments are $-1.1 imes 10^{-12}e &lt; q_ν &lt; 9.3 imes 10^{-13}e$ ($90\%$ C.L.), and in the second scenario we obtained the bounds $-1.8 imes 10^{-14}e &lt; q_ν &lt; 1.8 imes 10^{-14}e$ ($90\%$ C.L.). As we will show here, these combined analyses of different experimental data can lead to stronger constraints than those based on individual analysis. Where CENNS interactions would stand out as an important alternative to improve the current limits on NEM.

研究动机与目标

• 通过整合多个过去和当前反应堆中微子-电子散射（ENES）实验的数据，改进对中微子电荷微小量（NEM）的约束。
• 评估未来相干弹性中微子-核散射（CENNS）实验对NEM的灵敏度，利用其增强的信噪比潜力。
• 将CENNS的预期灵敏度与现有ENES限界及天体物理观测结果进行比较，评估其作为NEM主要探针的潜力。
• 量化系统性不确定性对基于未来CENNS的NEM约束的影响，包括事件谱中1%和3%的不确定性。

提出的方法

• 采用卡方（$\Delta\chi^2$）最小化方法进行统计分析，整合来自多个ENES实验（包括TEXONO、GEMMA等）的数据，以推导出对NEM的联合限界。
• 分析中同时考虑了事件谱的统计误差与系统性误差，系统性误差被建模为总事件数的1%和3%。
• 对于未来的CENNS提案，采用模拟的反应堆中微子源事件谱来预测灵敏度，假设探测器具有高能量分辨率和低本底。
• 在似然函数中将中微子电荷微小量视为自由参数，并基于 $\Delta\chi^2 = 2.71$ 准则推导出90%置信水平（C.L.）区间。
• 将单个实验结果与联合分析结果进行比较，以评估数据整合带来的灵敏度增益。
• 分析中包含统计误差与系统性误差的传播，后者会影响CENNS提案最终的灵敏度限界。

实验结果

研究问题

• RQ1 从多个现有ENES实验的联合分析中，能得出的最紧致的中微子电荷微小量限界是什么？
• RQ2 在考虑现实系统性不确定性的前提下，未来CENNS实验对中微子电荷微小量的灵敏度如何？
• RQ3 CENNS实验能否超越当前基于ENES的限界，在约束NEM方面表现更优？
• RQ4 事件谱中的系统性不确定性如何影响CENNS实验对NEM的预期灵敏度？

主要发现

• 多个ENES实验的联合分析得出90%置信水平限界为 $-1.1\times 10^{-12}e < q_\nu < 9.3\times 10^{-13}e$，优于GEMMA实验的单独限界。
• 对于仅考虑统计不确定性的未来CENNS实验，预期90%置信水平限界为 $-1.8\times 10^{-14}e < q_\nu < 1.8\times 10^{-14}e$。
• 当事件谱中包含1%系统性不确定度时，预期90%置信水平限界变为 $-3.8\times 10^{-14}e < q_\nu < 3.8\times 10^{-14}e$。
• 当系统性不确定度增至3%时，限界扩大至 $-9.0\times 10^{-14}e < q_\nu < 8.8\times 10^{-14}e$，表明灵敏度显著下降。
• 基于CENNS的限界比当前基于ENES的限界灵敏度高出约两个数量级，显示出未来显著改进的潜力。
• 结果表明，随着系统性不确定性的降低，CENNS实验有望成为约束中微子电荷微小量的主导方法。