[论文解读] New constraints on neutrino electric millicharge from elastic neutrino-electron scattering and coherent elastic neutrino-nucleus scattering

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

Neutrino Physics Research被引用 3

一句话总结

本研究通过分析反应堆中微子的弹性中微子-电子散射（ENES）数据，改进了对中微子电荷微小量（NEM）的约束，并对未来的相干弹性中微子-核散射（CENNS）实验进行了灵敏度预测。ENES实验在90%置信水平下得到的约束为 $-1.1 \times 10^{-12}e < q_u < 9.3 \times 10^{-13}e$，而CENNS实验的预测灵敏度为 $-1.8 \times 10^{-14}e < q_u < 1.8 \times 10^{-14}e$，表明结合CENNS数据或未来CENNS实验可显著优于单一分析结果。

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 $-1.1 imes 10^{-12}e < q_{ u} < 9.3 imes 10^{-13}e$ ($90\%$ C.L.), and in the second scenario we obtained the bounds $-1.8 imes 10^{-14}e < q_{ u} < 1.8 imes 10^{-14}e$ ($90\%$ 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

• 利用反应堆中微子数据改进现有对中微子电荷微小量（NEM）的实验约束。
• 通过反应堆中微子实验中的相干弹性中微子-核散射（CENNS）过程，评估未来实验对NEM的灵敏度。
• 比较ENES与CENNS约束的强度，并评估整合多个实验数据集的优势。
• 证明CENNS相互作用可作为比单独ENES更灵敏的NEM探测手段。

提出的方法

• 对涉及弹性中微子-电子散射（ENES）过程的现有反应堆中微子数据进行统计分析。
• 整合多个ENES实验的结果，以获得对中微子电荷微小量（NEM）的联合约束。
• 利用反应堆中微子实验中的相干弹性中微子-核散射（CENNS）相互作用，预测未来灵敏度。
• 应用频次派统计方法，在90%置信水平（C.L.）下推导NEM的上下限。
• 结合标准模型扩展理论预期，这些理论预测中微子可能具有非零的微小电荷。
• 比较ENES与CENNS的约束结果，以评估相对灵敏度及改进潜力。

实验结果

研究问题

• RQ1 从反应堆中微子ENES数据中，目前对中微子电荷微小量（NEM）的实验极限是什么？
• RQ2 多个ENES实验的联合分析相比单个实验研究，如何改善对NEM的约束？
• RQ3 未来利用相干弹性中微子-核散射（CENNS）的反应堆中微子实验对NEM能达到多高的灵敏度？
• RQ4 CENNS在探测中微子微小电荷方面与ENES相比灵敏度如何？
• RQ5 CENNS能否作为ENES的可行且更优的替代方案，以设定更严格的NEM极限？

主要发现

• 多个反应堆中微子ENES实验的联合分析在90%置信水平下得到中微子电荷微小量的约束为 $-1.1 \times 10^{-12}e < q_u < 9.3 \times 10^{-13}e$。
• 未来CENNS实验的预测灵敏度在90%置信水平下提升至 $-1.8 \times 10^{-14}e < q_u < 1.8 \times 10^{-14}e$。
• 基于CENNS的约束比基于ENES的约束约严格10倍，表明其具有更高的灵敏度。
• ENES数据的联合分析结果强于任一单独实验的结果，凸显了数据整合的价值。
• 结果表明，CENNS相互作用在未来实验中是设定更严格中微子电荷微小量极限的有前途且强大的替代方案。
• 结果表明，未来利用CENNS的反应堆中微子实验可显著推进标准模型之外的新物理研究。