[논문 리뷰] Lepton Number Violating Electron Recoils in a $U(1)_{B-L}$ Model with Non-Standard Interactions

Yugen Lin, Yu Gao외 1명|arXiv (Cornell University)|2020. 06. 29.

Particle physics theoretical and experimental studies인용 수 7

한 줄 요약

이 논문은 표준모형의 $U(1)_{B-L}$ 확장을 제안하며, 뉘트리노와 전자 간의 렙톤수 위반 비표준 상호작용(NSIs)을 매개하는 경량 스칼라 보편자를 포함한다. 이러한 NSIs는 태양 뉘트리노 산란을 통해 저에너지 전자 반발률을 증가시키며, XENON1T, PANDAX, XENONnT 데이터로부터 $√{y'_{ν}y_e} < 0.5 \times 10^{-6}$의 제약 조건을 도출한다. 이는 이러한 결합에 대한 현재까지 가장 날카로운 제약 조건이다.

ABSTRACT

We propose an $SU(3)_C imes SU(2)_L imes U(1)_{Y} imes U(1)_{B-L}$ model, in which the neutrino masses and mixings can be generated via Type-I seesaw mechanism after $U(1)_{B-L}$ breaking. A light mediator emerges and enables non-standard interaction that violates the lepton number. We show that the non-standard neutrino interaction emerges in this model, and it can lead to low energy recoil events with the solar neutrino flux. Analyses are performed with the keV range electron recoil events at recent direct detection experiments, including XENON1T, PANDAX and XENONnT. Recent direct detection observations lead to upper bound on the combined coupling strength to electron and neutrino to $\sqrt{y'_νy_e} &lt; 0.5 imes 10^{-6}$.

연구 동기 및 목표

• 직접 탐측 실험에서 관측된 최근 keV 스케일 전자 반발 사건을 비표준 뉘트리노-전자 상호작용을 통해 설명하기 위해.
• 대칭 깨짐 이후 타입-I 시즈모 메커니즘을 통해 가벼운 뉘트리노 질량을 생성하는 $U(1)_{B-L}$ 확장 모형을 구축하기 위해.
• 뉘트리노와 전자 간의 렙톤수 위반 상호작용을 매개하는 경량 스칼라 매개체를 식별하기 위해.
• XENON1T, PANDAX, XENONnT 데이터를 사용하여 효과적 결합 $√{y'_{\nu}y_e}$의 제약 조건을 유도하고 시험하기 위해.
• 모형이 천체물리적 제약, 특히 항성 냉각과 반응로 뉘트리노 실험에서의 제약과 일치하는지 평가하기 위해.

제안 방법

• 모형은 표준모형의 $SU(3)_C \times SU(2)_L \times U(1)_Y \times U(1)_{B-L}$ 게이지 대칭을 확장하며, 삼중항 $\Phi$, 쌍중항 $H, H'$, 단일항 $S, T$를 포함하는 새로운 스칼라 장을 도입한다.
• U(1)_{B-L} 및 전자약 대칭 깨짐 이후, 경량 스칼라 $s_1$ 이론이 매개체로 나타나며, 무거운 오른쪽 뉘트리노와 기타 새로운 장들을 통해 $\overline{\nu^c}\nu$ 와 $\overline{e}e$ 를 결합한다.
• 효과적 상호작용 $\mathcal{L}_{\text{int}} \sim y'_{\nu} s_1 \overline{\nu^c}\nu + y_e s_1 \overline{e}e$ 는 렙톤수 위반 $\nu e \to \nu^c e$ 산란을 유도한다.
• 상대론적 장 이론을 사용하여 전자 반발의 미분 단면적을 유도하며, 경량 매개체 근사에서 $d\sigma/dE_k \propto y'^2 y_e^2 E_k M_e (E_k + 2M_e) / (M_s^2 + 2M_e E_k)^2$ 를 얻는다.
• 태양 뉘트리노에 대한 반발 스펙트럼을 계산하고 표준모형 배경와 비교하며, XENON1T, PANDAX, XENONnT 데이터에 대한 피팅을 통해 결합 $√{y'_{\nu}y_e}$ 의 제약 조건을 유도한다.
• 모형의 타당성을 평가하기 위해 항성 냉각과 반응로 뉘트리노 실험에서의 천체물리적 제약 조건을 평가한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 경량 스칼라 매개체를 가진 $U(1)_{B-L}$ 모형이 keV 범위 직접 탐측 실험에서 관측 가능한 전자 반발 사건을 생성할 수 있는가?
• RQ2 XENON1T, PANDAX, XENONnT 데이터로부터 효과적 결합 $√{y'_{\nu}y_e}$ 에 대한 제약 조건은 무엇인가?
• RQ3 경량 스칼라 매개체를 통한 비표준 상호작용 $\nu e \to \nu^c e$ 는 저에너지 전자 반발 스펙트럼에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 이 모형은 항성 냉각과 반응로 뉘트리노 실험에서의 기존 제약 조건과 일치하는가?
• RQ5 저에너지 전자 반발 사건의 관측 초과 현상은 이러한 렙톤수 위반 NSI 메커니즘으로 설명될 수 있는가?

주요 결과

• XENONnT 데이터는 현재까지 가장 날카로운 제약 조건을 제공하며, $√{y'_{\nu}y_e} < 0.5 \times 10^{-6}$ 를 도출한다.
• XENON1T 데이터는 결합 범위 $5.8 \times 10^{-7} < \sqrt{y'_{\nu}y_e} < 1.1 \times 10^{-6}$ 를 선호하며, 태양 뉘트리노 측정 결과와 일치한다.
• PANDAX 데이터는 $√{y'_{\nu}y_e} < 1.4 \times 10^{-6}$ 를 제약하며, 반응로 뉘트리노 실험의 제약 조건과 유사하다.
• NSI에 의해 유도된 반발 스펙트럼은 낮은 에너지로 갈수록 증가하여, 저에너지 $E_k$ 영역에서의 감도를 높이며 엄격한 제약 조건을 가능하게 한다.
• 모형의 $y_e$ 결합은 항성 냉각 제약 조건으로 인해 심하게 제약을 받으며, 타당성을 유지하기 위해 더 복잡한 매개체 구조가 필요하다.
• 이 모형은 렙톤수 위반 NSIs를 통해 keV 스케일 전자 반발을 타당하게 설명할 수 있으며, 경량 스칼라 매개체가 $\nu e \to \nu^c e$ 산란을 매개한다.