[論文レビュー] Telling Solar Neutrinos from Solar Axions When You Can't Shut Off the Sun

Pilar Coloma, Patrick Huber+1 more|arXiv (Cornell University)|Jun 28, 2020

Dark Matter and Cosmic Phenomena被引用数 7

ひとこと要約

この論文は、XENON1T検出器に3 MCi 51Cr電子捕獲源を用いて、観測された低エネルギー電子反発過剰の原因としての太陽ニュートリノの異常に大きな磁気モーメントと太陽アクシオンの両者を区別することを提案する。50日間の走行により、信号対ノイズ比が9.8倍に向上し、標準模型ニュートリノ磁気モーメントを95%信頼水準以上で除外可能となる。これにより、2つの主要な新物理解釈を明確に区別できる。

ABSTRACT

The XENON1T experiment recently reported an excess of events at low electron recoil energies, which may be due to interactions of solar neutrinos inside the detector via a large neutrino magnetic moment. We point out that a $^{51}$Cr neutrino source placed close to the detector can directly test this hypothesis.

研究の動機と目的

• XENON1Tの低エネルギー反発過剰の原因としての太陽アクシオンと、大きな磁気モーメントを持つ太陽ニュートリノの間の曖昧さを解消すること。
• 観測された過剰がニュートリノ磁気モーメント相互作用に起因するのか、あるいは他の新物理に起因するのかを検証すること。
• 既存のXENON1Tインfra構造とMCiスケールの51Cr源を活用し、最小限の新たな実験的投資で高い感度を達成すること。
• ニュートリノ磁気モーメントに対する既存の地上限界を上回り、XENON1Tの異常を明確に検証すること。
• この源ベースのキャリブレーション手法を通じて、ステアリングニュートリノや軽いZ'ボソンといった、より広範な新物理探索を可能にすること。

提案手法

• XENON1Tのフィducialボリュームから1メートル下に3 MCi 51Cr源を設置し、20 cmの tungsten 球体で遮蔽してバックグラウンドを低減する。
• 50日間の走行を実施し、バックグラウンドを半減させつつ、100日間走行と比較して78%の信号を保持する。
• エネルギー分解能を44.8% / √E、2 keV以上で90%の検出効率として、予想されるエネルギースペクトルをモデル化する。
• 標準模型（μν = 0）とXENON1Tの90%信頼水準範囲（1.4×10⁻¹¹から2.9×10⁻¹¹ μB）における予測と、観測されたイベント数を比較する。
• 28個のエネルギーチャンクにわたるΔχ²分析を用いて、標準模型からのずれの統計的有意性を評価する。
• XENON1Tの226.9日間のデータセットからのバックグラウンドをスケーリングし、51Crニュートリノと太陽ニュートリノの2–30 keV範囲における信号イベント数を予測する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 3 MCi 51Cr源実験は、XENON1Tの低エネルギー過剰の原因としての太陽ニュートリノの大きな磁気モーメントと太陽アクシオンを、明確に区別できるか？
• RQ2 XENON1Tで3 MCi 51Cr源を50日間走行させた場合、期待される信号対ノイズ比の向上はどの程度か？
• RQ3 この実験は、標準模型ニュートリノ磁気モーメントを95%信頼水準以上で除外できるか？
• RQ4 予測される感度は、既存の地上限界のニュートリノ磁気モーメントと比較してどの程度か？
• RQ5 この手法は、ニュートリノ磁気モーメントを超えた新物理探索の感度をどの程度向上できるか？

主な発見

• 標準模型下で、3 MCi 51Cr源の50日間走行により、2–30 keV範囲で82件のν-e弾性散乱イベントが予想され、XENON1Tの226.9日間のデータセットの信号数を2.2倍上回る。
• バックグラウンドを半減させつつ78%の信号を保持するため、XENON1Tデータセットと比較して信号対ノイズ比が9.8倍向上する。
• 標準模型（μν = 0）に対するΔχ²は、XENON1Tの下限（1.4×10⁻¹¹ μB）では5.0、上限（2.9×10⁻¹¹ μB）では66.5であり、好ましい範囲で95%信頼水準以上に除外される。
• 100日間走行を用いた2014年の研究を上回り、ニュートリノ磁気モーメントに対する最も良い地上限界を上回る感度を達成する。
• 源走行で陽性信号が得られれば、ニュートリノ磁気モーメント仮説または他の新物理解釈が確認されるが、陰性結果であれば、すべてのニュートリノ由来の説明が除外される。
• 提案された設定により、アクシオンとニュートリノの区別に加え、ステアリングニュートリノ、非標準的相互作用、および軽いZ'ボソンの探索も可能になる。