[论文解读] Snowmass White Paper: Beyond the Standard Model effects on Neutrino Flavor

C. Argüelles, Gabriela Barenboim+24 more|arXiv (Cornell University)|Mar 21, 2022

Neutrino Physics Research被引用 8

一句话总结

本Snowmass白皮书综述了新物理效应在中微子味物理中的影响，分析了包括惰性中微子、非标准中微子相互作用、中微子衰变以及洛伦兹对称性/CPT对称性破坏在内的新物理场景。该文整合了低能、中能和高能中微子实验的理论框架与实验前景，强调了振荡实验、中微子望远镜与暗物质探测器之间的协同作用，以在不同能量尺度和基线上提升探测新物理的灵敏度。

ABSTRACT

Neutrinos are one of the most promising messengers for signals of new physics Beyond the Standard Model (BSM). On the theoretical side, their elusive nature, combined with their unknown mass mechanism, seems to indicate that the neutrino sector is indeed opening a window to new physics. On the experimental side, several long-standing anomalies have been reported in the past decades, providing a strong motivation to thoroughly test the standard three-neutrino oscillation paradigm. In this Snowmass21 white paper, we explore the potential of current and future neutrino experiments to explore BSM effects on neutrino flavor during the next decade.

研究动机与目标

• 评估新物理（BSM）在多个能量和基线范围内的中微子味跃迁中的影响。
• 评估当前及未来实验对非幺正性、惰性中微子和非标准中微子相互作用的约束。
• 探讨中微子望远镜和大气中微子实验在探测长基线及超高能新物理效应中的作用。
• 识别振荡实验、中微子望远镜与直接暗物质搜寻在约束新物理场景方面的协同效应。
• 为未来实验提供路线图，以检验基本对称性（CPT、洛伦兹不变性）及中微子领域的新物理。

提出的方法

• 通过有效场论和模型构建框架，系统分类中微子味中BSM效应。
• 分析包含重和轻惰性中微子时的中微子振荡概率，包括非幺正性修正。
• 应用涉及额外中微子态和轻中介子的有效的算符，以描述非标准相互作用。
• 评估中微子衰变模型（隐形与可见衰变）及其从现有数据中获得的唯象学约束。
• 采用多通道探测策略，结合束流实验中的近/远点探测器，以及与天体物理中微子的多信使方法。
• 整合来自暗物质探测器中相干中微子-核子散射的约束，以探测中微子背景极限和新物理。

实验结果

研究问题

• RQ1 惰性中微子和中微子混合矩阵中的非幺正性如何影响不同能量尺度下的中微子振荡概率？
• RQ2 当前对非标准中微子相互作用（NSIs）的实验限制是什么？未来实验如何进一步改进？
• RQ3 中微子望远镜和高能天体物理中微子观测在探测超高能和长基线新物理方面有哪些潜力？
• RQ4 洛伦兹不变性破坏和CPT破坏的相互作用在中微子味跃迁中如何表现？其可观测信号是什么？
• RQ5 低能反应堆/太阳中微子实验、中能束流和大气中微子实验，以及高能天体物理中微子探测器之间，在约束新物理场景方面有何互补性？

主要发现

• 当前来自反应堆、太阳和加速器中微子实验的数据已将非幺正性参数约束在小于 ∼10−2 的水平，未来实验预计可将灵敏度提高一个数量级。
• 质量在eV至MeV范围的惰性中微子情景受到宇宙学和短基线数据的约束，正在进行和未来的实验（如DUNE和SHiP）旨在探测eV量级的参数空间。
• 非标准中微子相互作用（NSIs）在中性流区的约束水平为 ∼10−2 至 10−3，未来束流实验预计可将不确定性降低2至5倍。
• 中微子衰变模型受到大气和天体物理中微子数据中无能谱畸变的约束，未来望远镜如IceCube-Gen2预计可将衰变宽度的灵敏度提高达两个数量级。
• 洛伦兹对称性和CPT破坏情景受到大气和长基线中微子数据的约束，当前对洛伦兹破坏系数的限制在 10−20 至 10−22 量级，下一代探测器将进一步提升限制。
• 振荡实验、中微子望远镜与暗物质探测器的协同使用，可实现对新物理的多信使约束，尤其在中微子背景极限区域；目前相干中微子-核子散射实验已提供具有竞争力的约束。