[論文レビュー] Unambiguously Resolving the Potential Neutrino Magnetic Moment Signal at Large Liquid Scintillator Detectors

Ziping Ye, Feiyang Zhang+2 more|arXiv (Cornell University)|Mar 22, 2021

Neutrino Physics Research参考文献 56被引用数 7

ひとこと要約

本論文は、JUNO や LENA などの大型液体シンチレーター検出器が、トリチウムおよび太陽系アクシオン背景が無視できる 40 keV 以上のエネルギー領域でニュートリノ磁気モーメント（νMM）信号を明確に解明できることを提案している。100 kton·year の露出量を想定した場合、これらの検出器は µν < 10−11µB の感度に達可能であり、νMM仮説の明確な検証が可能となる。

ABSTRACT

Non-vanishing electromagnetic properties of the neutrinos have been predicted by many theories beyond the Standard Model, and an enhanced neutrino magnetic moment can have profound implications for fundamental physics. The XENON1T experiment recently detected an excess of electron recoil events in the 1-7 keV energy range, which can be compatible with solar neutrino magnetic moment interaction at a most probable value of $\mu_{ u} = 2.1 imes 10^{-11} \mu_{ ext{B}}$. However, tritium backgrounds and solar axion interaction in this energy window are equally plausible causes. Upcoming multi-tonne noble liquid detectors will test these scenarios more in depth, but will continue to face similar ambiguity. We report a unique capability of future large liquid scintillator detectors to help resolve the potential neutrino magnetic moment scenario. With a liquid scintillator exposure of $O$(100) kton$\cdot$year, a sensitivity of $\mu_{ u} < 10^{-11} \mu_{ ext{B}}$ can be reached at an energy threshold greater than 40 keV, where no tritium or solar axion events but only neutrino magnetic moment signal is still present.

研究の動機と目的

• XENON1T の 1–7 keV の低エネルギー電子反発過剰を解消するため、これはニュートリノ磁気モーメント、トリチウム β 衰変、または太陽系アクシオンに起因する可能性がある。
• 大型液体シンチレーター検出器が、40 keV 以上のエネルギー領域で特徴的なエネルギー依存性を示すことで、νMM 信号を独自に特定できることを示す。
• 天体物理学的モデル依存性を排除したモデルに依存しない直接的な実験的検証を提供する。
• 液体シンチレーター検出器と液体キセノン検出器の相互検証を可能にし、低エネルギー過剰の背後に潜む異なる説明を区別する。

提案手法

• 液体シンチレーターにおけるニュートリノ-電子弾性散乱（νeES）断面積を、標準模型（SM）および νMM 捐献を含めてモデル化する。
• 標準太陽模型（SSM）のフラックスと振動生存確率を用いて、予想される νeES イベントスペクトルを計算する。
• 微分断面積の式を適用：dσ/dT = dσSM/dT + dσµν/dT、ここで νMM 捐献は (µν/µB)² × (1−T/Eν)/T に比例する。
• 40 keV 以上の低エネルギー閾値を想定し、液体シンチレーターにおける太陽ニュートリノへの O(100) kton·year の露出量を想定してイベントレートをシミュレートする。
• νMM 信号スペクトルと背景（トリチウム、アクシオン）を比較し、νMM のみが寄与するエネルギー領域を特定する。
• 信号が存在しないという仮定の下で、統計的有意性および上限計算を用いて µν への感度を評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 大型液体シンチレーター検出器は、1–7 keV 範囲でニュートリノ磁気モーメント信号をトリチウム β 衰変または太陽系アクシオン背景から区別できるか？
• RQ2 40 keV 以上の領域で、νMM 信号は顕著に延びるか？この領域では他の背景が抑制される。
• RQ3 液体シンチレーター検出器が µν < 10−11µB の感度に到達するにはどの程度の露出量が必要か？
• RQ4 液体シンチレーター検出器は、天体物理学的仮定に依存しない形で νMM 仮説をモデルに依存しない形で検証できるか？
• RQ5 低エネルギー領域における液体シンチレーター内での νMM、トリチウム、アクシオン背景の信号形状はどのように異なるか？

主な発見

• 液体シンチレーターにおける νMM 信号は低エネルギーで急激に増加し、40 keV 以上でも顕著なままであるが、その領域ではトリチウムおよび太陽系アクシオン背景は無視できる。
• O(100) kton·year の露出量を想定した場合、液体シンチレーター検出器は 90% 確信区間で µν < 10−11µB の感度に到達可能である。
• 40 keV 以上では、唯一 νMM 信号が検出可能となるため、トリチウムおよびアクシオン背景からの明確な識別に最適なエネルギー領域である。
• µν = 2.1 × 10−11µB の場合、液体シンチレーターでは測定可能な過剰信号が得られ、キセノン検出器では閾値が高いため信号が存在しない場合でも成立する。
• この手法により、星の冷却や超新星制約に依存しない直接的な実験的検証が可能となる。
• 提案手法により、近い将来のキセノンベース検出器（例：XENONnT、LZ、PandaX-4T）との相互検証が可能となり、XENON1T の過剰現象に関する現在の曇りを解消できる。