[논문 리뷰] Probing light vector mediators with coherent scattering at future facilities

Enrico Bertuzzo, Giovanni Grilli di Cortona외 1명|arXiv (Cornell University)|2021. 12. 07.

Astrophysics and Cosmic Phenomena인용 수 1

한 줄 요약

이 논문은 향후 실험인 νBDX-DRIFT와 유럽 스파라클레이션 소스(European Spallation Source, ESS)에 제안된 검출기들이 협동적 탄성 중성미오-핵반응(CEνNS)을 통해 경량 Z′ 보존에 대한 민감도를 평가한다. ESS 기반 검출기가 기존에 탐색하지 못한 mZ′–gZ′ 매개변수 공간의 영역을 탐색할 수 있음을 보여주며, 이는 뮤온의 비정상 자기모멘트, Xenon1T의 전자 과잉, 그리고 아이스커클라우드 우주 중성미오 스펙트럼의 이례적 특징을 설명할 수 있는 영역을 포함한다.

ABSTRACT

Future experiments dedicated to the detection of Coherent Elastic Neutrino-Nucleus Scattering may be powerful tools in probing light new physics. In this paper we study the sensitivity on light $Z'$ mediators of two proposed experiments: a directional low pressure Time Projection Chamber detector, $ u$BDX-DRIFT, that will utilize neutrinos produced at the Long Baseline Neutrino Facility, and several possible experiments to be installed at the European Spallation Source. We compare the results obtained with existing limits from fixed-target, accelerator, solar neutrino and reactor experiments. Furthermore, we show that these experiments have the potential to test unexplored regions that, in some case, could explain the anomalous magnetic moment of the muon or peculiar spectral features in the cosmic neutrino spectrum observed by IceCube.

연구 동기 및 목표

• 향후 CEνNS 실험이 표준모형을 초월하는 경량 Z′ 보존을 탐색할 잠재력을 평가하기 위해.
• 향후 시설이 현재 실험이 테스트하지 못한 매개변수 영역, 특히 뮤온의 비정상 자기모멘트와 관련된 영역에 접근할 수 있는지 평가하기 위해.
• 이 실험이 Xenon1T의 저에너지 전자 과잉을 설명하는 모델과 아이스커클라우드 우주 중성미오 스펙트럼의 이례적 특징을 설명하는 모델을 탐색할 수 있는지 조사하기 위해.
• 세 가지 Z′ 모델(일반형, B−L, Lμ−Lτ)에 대해 νBDX-DRIFT와 ESS 기반 검출기의 민감도를 비교하기 위해.
• 현재까지 탐색되지 않은 매개변수 공간 영역을 향후 CEνNS 실험이 탐색할 수 있는지 규명하기 위해.

제안 방법

• 표준모형 페르미온과의 결합을 고려한 효과적 라그랑지안을 통해 경량 Z′ 상호작용을 모델링하고, CEνNS 과정에 집중한다.
• 형상인자 형식론과 A² 비례의 공명 증폭을 사용하여 CEνNS의 미분 단면적을 계산한다.
• 세 가지 벤치마크 모델인 일반형 Z′, B−L, Lμ−Lτ에 대해 서로 다른 페르미온 전하 배정을 적용한다.
• CS2 기체를 사용하는 νBDX-DRIFT(60 및 411 Torr)와 다양한 목표 물질을 가진 ESS 기반 검출기(Xe, CsI, Ge, Si, Ar, C3F8)의 검출기 반응을 시뮬레이션한다.
• 90% 신뢰수준(C.L.) 민감도를 mZ′–gZ′ 평면에 투영하고, BaBar, ATLAS, CMS, CCFR, Borexino, Xenon1T의 기존 제한과 비교한다.
• (g−2)μ, ΔNeff > 0.5, 아이스커클라우드 스펙트럼 특징 등의 제약 조건을 통합하여 타당한 매개변수 영역을 규명한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 향후 CEνNS 실험이 현재 실험에서 배제되지 않은 mZ′–gZ′ 매개변수 공간의 새로운 영역을 탐색할 수 있는가?
• RQ2 νBDX-DRIFT와 ESS 기반 검출기는 뮤온의 비정상 자기모멘트를 설명하는 모델을 어느 정도 테스트할 수 있는가?
• RQ3 이 실험들은 Xenon1T 실험에서 관측된 저에너지 전자 과잉을 설명하는 매개변수 공간을 탐색할 수 있는가?
• RQ4 제안된 검출기는 아이스커클라우드 우주 중성미오 스펙트럼의 이례적 특징을 설명하는 모델에 민감한가?
• RQ5 검출기 물질과 νBDX-DRIFT의 기체 압력(60–411 Torr)이 경량 Z′ 매개체에 대한 민감도에 어떤 영향을 미치는가?

주요 결과

• ESS 기반 검출기는 νBDX-DRIFT보다 훨씬 높은 민감도를 보이며, Lμ−Lτ 모델에서 이전에 탐색되지 않은 매개변수 공간의 대부분을 탐색할 수 있다.
• Lμ−Lτ 모델에서 ESS 검출기(Xe 및 CsI 타겟)는 mZ′/MeV ≲ 60 범위의 영역(약 2σ에서 뮤온의 비정상 자기모멘트를 설명할 수 있음)을 탐색할 수 있다.
• ESS 검출기는 확장된 Lμ−Lτ 모델에서 (g−2)μ 이상 현상과 Xenon1T 전자 과잉을 동시에 설명하는 매개변수 공간을 테스트할 수 있다.
• ESS 검출기는 아이스커클라우드 우주 중성미오 스펙트럼에서 관측된 이례적 스펙트럼 특징을 설명하는 특정 모델 [74]에 민감하다.
• νBDX-DRIFT는 민감도가 제한되어 있지만, 기체 압력(60–411 Torr CS2) 조절을 통해 매개변수 공간의 맹점 영역에 접근할 수 있다.
• Lμ−Lτ 모델은 ESS에 의해 특히 잘 탐색되며, Xe 및 CsI 검출기는 mZ′ < 30 MeV 범위에서 (g−2)μ 전체 해결책을 배제할 수 있을 정도의 민감도에 도달한다.