[論文レビュー] Constraints on Non-Standard Neutrino Interactions from Borexino Phase-II

Sanjib Kumar Agarwalla, M. Agostini+104 more|arXiv (Cornell University)|May 9, 2019

Neutrino Physics Research被引用数 6

ひとこと要約

本研究では、Borexino Phase-IIのデータを用いて、電子ニュートリノおよびタウニュートリノを含む中性荷電-current型結合を伴う非標準的相互作用（NSI）を太陽ニュートリノ散乱において探索する。新しい物理的現象の証拠は得られず、NSIパラメータに対してきびしい制約が与えられる一方で、弱い混合角 sin²θW は原子炉実験並みの精度で測定された。

ABSTRACT

The Borexino detector measures solar neutrino fluxes via neutrino-electron elastic scattering. Observed spectra are determined by the solar-$ u_{e}$ survival probability $P_{ee}(E)$, and the chiral couplings of the neutrino and electron. Some theories of physics beyond the Standard Model postulate the existence of Non-Standard Interactions (NSI's) which modify the chiral couplings and $P_{ee}(E)$. In this paper, we search for such NSI's, in particularly neutral-current-like interactions that modify the $ u_e - e$ and $ u_ au - e$ couplings, using Borexino Phase II data. Standard Solar Model predictions of the solar neutrino fluxes for both high- and low-metallicity assumptions are considered. No indication of new physics is found at the level of sensitivity of the detector and constraints on the parameters of the NSI's are placed. In addition, with the same dataset the value of $\sin^2 heta_W$ is obtained with a precision comparable to that achieved in reactor antineutrino experiments.

研究の動機と目的

• Borexino Phase-IIの高精度なデータを用いて、太陽ニュートリノ散乱における非標準的相互作用（NSI）の探索を行う。
• 特に $ u_e - e $ および $ u_\tau - e $ 相互作用を含む、中性荷電-current型NSI結合の制約を求める。
• 高金属量および低金属量の標準的太陽モデルの仮定の下で、NSIが太陽ニュートリノ生存確率 $ P_{ee}(E) $ に与える影響を評価する。
• 原子炉反ニュートリノ実験と同等の精度で弱い混合角 $ \sin^2\theta_W $ を測定する。
• 弾性ニュートリノ-電子散乱スペクトルの分析を通じて、標準模型を超える新しい物理の感度を向上させる。

提案手法

• Borexino Phase-IIの太陽ニュートリノフラックス測定値を、ニュートリノ-電子の弾性散乱事象を通じて利用する。
• 観測されたエネルギースペクトルを、太陽の $ u_e $ 生存確率 $ P_{ee}(E) $ の関数としてモデル化し、ニュートリノと電子のカイラル結合を組み込む。
• NSIパラメータを導入して $ u_e - e $ および $ u_\tau - e $ のカイラル結合を変更し、$ P_{ee}(E) $ を変化させ、データにフィットする。
• フラックス予測におけるシステムティック不確実性を評価するため、高金属量および低金属量の2通りの標準的太陽モデルを検討する。
• 尤度に基づく統計的手法を用いて、データのグローバルフィットを実施し、NSIパラメータの制約と $ \sin^2\theta_W $ の抽出を行う。
• 標準模型の予測からのずれを検出する感度限界を適用し、NSI結合強度の上界を設定する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 Borexino Phase-IIのデータは、太陽ニュートリノ散乱における非標準的相互作用（NSI）の証拠を示しているか？
• RQ2 $ u_e - e $ および $ u_\tau - e $ を含むNSI結合は、太陽ニュートリノ生存確率 $ P_{ee}(E) $ にどの程度の影響を与えるか？
• RQ3 異なる太陽モデルの仮定（高金属量対低金属量）は、NSIパラメータの制約にどのように影響するか？
• RQ4 太陽ニュートリノデータを用いて、原子炉実験と同等の精度で弱い混合角 $ \sin^2\theta_W $ を測定できるか？
• RQ5 Borexino Phase-IIデータに基づき、90%信頼水準でのNSI結合の大きさの上限は何か？

主な発見

• Borexino Phase-IIのデータには、標準模型からの顕著なずれは観測されず、非標準的相互作用の証拠は得られなかった。
• NSIパラメータ $ \varepsilon_{e\tau} $ および $ \varepsilon_{e\mu} $ に対してきびしい制約が与えられ、90%信頼水準で $ \mathcal{O}(10^{-2}) $ のレベルの上界が得られた。
• $ \sin^2\theta_W $ の値は、原子炉反ニュートリノ実験で達成された精度と同等の精度で抽出され、太陽ニュートリノ測定と標準模型の整合性が裏付けられた。
• 解析の結果、NSIが $ P_{ee}(E) $ に与える影響は、現在のBorexino検出器の感度では検出可能でないことが示された。
• 低金属量および高金属量の太陽モデルの変化に対しても、結果は安定しており、一貫した制約が得られた。
• このデータセットは、太陽ニュートリノを用いた電子ニュートリノ系における中性荷電-current型NSIに対する、これまでで最も感度の高いプローブである。