[论文解读] Search for sterile neutrino with light gauge interactions: recasting collider, beam-dump, and neutrino telescope searches

Yongsoo Jho, Jong‐Kuk Kim+2 more|arXiv (Cornell University)|Aug 28, 2020

Particle physics theoretical and experimental studies被引用 6

一句话总结

本文研究了在两种 $U(1)_X$ 模型——$B-L$ 和纯惰性中微子特异型——中，与轻规范玻色子 $X^ u$ 耦合的惰性中微子，重新解释了现有的对撞机、束流实验和中微子望远镜数据，以约束活性-惰性混合 $|U_{\tau 4}|^2$。结果表明，未来 FASER、SHiP 和 IceCube-Gen2 的搜索将能够探测到解决 MiniBooNE/LSND 低能过剩现象的 favored 参数区域，尤其针对 $m_4 < 1$ GeV 且 $|U_{\tau 4}|^2 \sim 10^{-10} \text{--} 10^{-8}$ 的情形。

ABSTRACT

We investigate features of the sterile neutrinos in the presence of a light gauge boson $X^\\mu$ that couples to the neutrino sector. The novel bounds on the active-sterile neutrino mixings $| U_{\\ell 4} |^2$, especially for tau flavor ($l = \ au$), from various collider and fixed target experiments are explored. Also, taking into account the additional decay channel of the sterile neutrino into a light gauge boson ($\ u_4 \ o \ u_\\ell e^+ e^-$), we explore and constrain a parameter space for low energy excess in neutrino oscillation experiments.

研究动机与目标

• 探索在紫外完备的 $U(1)_X$ 模型中，具有轻规范相互作用的惰性中微子的理论现象学。
• 重新解释来自对撞机、束流实验和中微子望远镜搜索的现有实验约束，针对活性-惰性混合 $|U_{\ell 4}|^2$，重点研究 $\ell = \tau$ 的情形。
• 评估未来实验——FASER、FASER2、SHiP 和 IceCube-Gen2——对解决 MiniBooNE 和 LSND 低能过剩现象相关参数区域的探测灵敏度。
• 为高强度前沿实验中的长寿命粒子搜索提供一个全面的理论框架。

提出的方法

• 构建两个无异常的 $U(1)_X$ 模型：A 型为 $U(1)_{B-L}$ 对称性，B 型为仅针对惰性中微子的 $U(1)_s$ 对称性。
• 通过轻规范玻色子 $X^\mu$ 衰变为 $\nu_\ell e^+e^-$，计算惰性中微子 $\nu_4$ 的衰变宽度和寿命。
• 重新解释来自 CHARM、NOMAD、LEP、Belle/BaBar 和 IceCube-DeepCore 的现有实验数据，以 $m_4$ 和 $m_X$ 为变量，建立对 $|U_{\tau 4}|^2$ 的约束。
• 利用 FASER、FASER2、SHiP 和 IceCube-Gen2 的双级联衰变信号模拟，评估未来探测灵敏度，使用天体中微子作为探针。
• 引入 $X^\mu$ 与光子之间的动能混合，以关联到 $Z$ 玻色子的隐形宽度和单喷注约束。
• 利用 $\nu_4 \to \nu_\ell e^+e^-$ 衰变道，探索惰性中微子寿命较长且可在顶点探测实验中被探测到的参数区域。

实验结果

研究问题

• RQ1 轻规范玻色子相互作用如何改变 $U(1)_X$ 扩展标准模型中惰性中微子的理论现象学？
• RQ2 在存在轻规范玻色子 $X^\mu$ 的情况下，来自对撞机、束流实验和中微子望远镜搜索的当前实验约束对 $|U_{\tau 4}|^2$ 的限制是什么？
• RQ3 未来哪些实验——FASER、SHiP、IceCube-Gen2——对能够解释 MiniBooNE/LSND 低能过剩现象的惰性中微子参数区域最为敏感？
• RQ4 $\nu_4 \to \nu_\ell e^+e^-$ 衰变道如何影响高强度实验中长寿命惰性中微子的可探测性？
• RQ5 $m_X$、$g_X$ 和 $|U_{\tau 4}|^2$ 之间如何相互作用，以决定惰性中微子作为短基线异常现象解决方案的可行性？

主要发现

• 来自 $Z$ 玻色子隐形宽度的当前约束为：当 $m_4 \lesssim 1$ GeV 时，$|U_{\tau 4}|^2 \lesssim 10^{-10}$。
• CHARM 和 NOMAD 实验对 $m_4 \lesssim 1$ GeV 的约束为 $|U_{\tau 4}|^2 \lesssim 10^{-10}$，在 $m_X \sim 0.1m_4$ 区域内约束更强。
• IceCube-DeepCore 对 $m_4 \lesssim 1$ GeV 的约束为 $|U_{\tau 4}|^2 \lesssim 10^{-10}$，而 LEP 单喷注搜索对 $m_4 \lesssim 1$ GeV 的约束为 $|U_{\tau 4}|^2 \lesssim 10^{-11}$。
• 未来 FASER 和 FASER2 实验预计可探测到 $|U_{\tau 4}|^2 \sim 10^{-10}$ 的区域，覆盖了 MiniBooNE/LSND 低能过剩现象的 favored 区域，适用于 $m_4 < 1$ GeV。
• SHiP 预计可探测到 $|U_{\tau 4}|^2 \sim 10^{-12}$ 的区域，适用于 $m_4 < 1$ GeV，显著优于当前限制。
• IceCube-Gen2 利用天体中微子进行双级联衰变搜索，预计可达到 $|U_{\tau 4}|^2 \sim 10^{-10}$ 的灵敏度，适用于 $m_4 \lesssim 1$ GeV，提供与现有结果相当的探测能力。