[论文解读] Is nonstandard interaction a solution to the three neutrino tensions?

Shinya Fukasawa, Monojit Ghosh+1 more|arXiv (Cornell University)|Sep 14, 2016

Neutrino Physics Research被引用 7

一句话总结

本文提出，中微子传播中的非标准相互作用（NSIs）可解决中微子振荡数据中的三个主要矛盾：太阳/KamLAND数据中非标准参数的最优拟合值非零，NOνA实验测得的θ₂₃非最大值，与T2K实验的极大混合结果冲突，以及反应堆实验与T2K实验在θ₁₃测量上的差异。作者表明，在正常中微子质量顺序下，当θ₂₃ = 45°，sin²θ₁₃ = 0.021，且狄拉克CP相位≈255°时，NSIs在所有三个异常现象中均比标准模型提供更优的拟合结果。

ABSTRACT

In this work we present a scenario in which a nonstandard interaction in neutrino propagation can explain the three major tensions in the neutrino oscillation data at present. These tensions are: (i) a non-zero best-fit value of the non-standard oscillation parameters in the the global analysis of the solar and KamLAND data which rules out the standard oscillation scenario at $90\%$ C.L, (ii) the measurement of the non-maximal value of $θ_{23}$ by NO$ν$A which excludes the maximal mixing at $2.5 σ$ C.L. and (iii) a discrepancy in the $θ_{13}$ measurement by T2K which has a tension with the reactor best-fit value of $\sin^2θ_{13}=0.021$ at $90\%$ C.L. Our results show that all these three above mentioned anomalies can be explained if one assumes the existence of the non-standard interactions in neutrino propagation with $θ_{23}=45^\circ$ and $\sin^2θ_{13}=0.021$ in the case of normal hierarchy. In our scenario the phase of $ε_{eτ}$ is zero and the most favorable value of the Dirac CP phase is approximately $255^\circ$.

研究动机与目标

• 解决来自太阳、长基线（T2K、NOνA）及反应堆实验的中微子振荡数据中持续存在的矛盾。
• 研究中微子传播中风味依赖的非标准相互作用（NSIs）是否能同时解决这三个异常现象。
• 确定NSI参数和狄拉克CP相位的最优取值，使拟合结果优于标准模型。
• 评估当前实验约束下NSI情景的可行性及其未来可检验性。

提出的方法

• 本研究通过一个有效拉格朗日量引入风味依赖的中性流NSI，其中包含无量纲耦合常数ε_αβ，以费米常数归一化。
• 中微子演化通过包含NSI哈密顿量矩阵A的修正狄拉克方程建模，该矩阵依赖于电子密度和NSI参数。
• 利用太阳与KamLAND数据的全局拟合提取最优NSI参数（ε_D = -0.14，ε_N = -0.03），随后在T2K与NOνA数据上进行验证。
• 在不同狄拉克CP相位（δ_CP）取值下，对标准模型与NSI情景进行χ²比较，拟合优度在90%置信水平下评估。
• 通过要求在2σ置信水平内与T2K、NOνA及太阳+KamLAND数据保持一致，对参数空间施加约束。
• 基于太阳数据最优拟合结果，将ε_eτ的相位固定为零，狄拉克CP相位则进行扫描以识别最优值。

实验结果

研究问题

• RQ1 中微子传播中的非标准相互作用是否能同时解决中微子振荡数据中的三个主要矛盾？
• RQ2 NSI参数（ε_αβ）与狄拉克CP相位（δ_CP）的哪些取值能使全局数据的拟合结果优于标准模型？
• RQ3 在NSI情景下，正常中微子质量顺序是否比反常顺序更相容？
• RQ4 ε_eτ的相位是否在解决矛盾中起关键作用，且是否被约束为零？
• RQ5 NSIs的引入如何影响太阳、反应堆及长基线中微子实验的拟合优度？

主要发现

• 在正常质量顺序下，NSI情景在所有δ_CP取值下均比标准模型提供更优的拟合结果，太阳+KamLAND数据的χ²降低了3.8。
• 最优拟合的狄拉克CP相位约为255°，该值在正常质量顺序下使NSI情景的χ²最小化。
• ε_eτ的相位被约束为零，最有利的NSI参数为：ε_ee = 0.84885，ε_eτ = 0.12863，ε_ττ = 0.008950，|ε_eμ| = 0.00092689，以及ε_μτ = -0.0067963。
• 太阳+KamLAND数据的全局最优拟合点在正常质量顺序下与T2K和NOνA数据在2σ置信区域内保持一致。
• 在反常质量顺序下，NSI情景并未提供优于标准模型的拟合结果，表明在此框架中对正常质量顺序有强烈偏好。
• 未来Hyper-Kamiokande的观测可通过太阳中微子的昼夜效应及大气中微子的物质效应，检验NSI情景。