[论文解读] A Plan to Rule out Large Non-Standard Neutrino Interactions After COHERENT Data

Peter B. Denton, Yasaman Farzan+1 more|arXiv (Cornell University)|Apr 10, 2018

Neutrino Physics Research被引用 9

一句话总结

本文提出一种策略，利用COHERENT和未来反应堆实验（如CONUS）的CEνNS数据，排除中等质量（5–12 MeV）轻介子的大型非标准中微子相互作用（NSI）。结果表明，虽然COHERENT数据在95%置信水平下已排除$M_{Z^\prime} > 48$ MeV时的LMA–Dark解，但唯有结合COHERENT、CONUS和宇宙学探针（BBN/CMB）的约束，才能完全排除$ee$-通道的LMA–Dark解，而$\mu\mu$/$\tau\tau$通道在MeV量级介子下仍具可行性。

ABSTRACT

In the presence of neutrino Non-Standard Interactions (NSI) with matter, the derivation of neutrino parameters from oscillation data must be reconsidered. In particular, along with the standard solution to neutrino oscillation, another solution known as "LMA--Dark" is compatible with global oscillation data and requires both $\ heta_{12}>\\pi/4$ and a certain flavor pattern of NSI with an effective coupling comparable to $G_F$. Contrary to conventional expectations, there is a class of models based on a new $U(1)_X$ gauge symmetry with a gauge boson of mass of few MeV to few 10 MeV that can viably give rise to such large NSI. These models can in principle be tested by Coherent Elastic $\ u$-Nucleus Scattering (CE$\ u$NS) experiments such as COHERENT and the upcoming reactor neutrino experiment, CONUS. We analyze how the recent results from the COHERENT experiment constrain these models and forecast the discovery potential with future measurements from COHERENT and CONUS. We also derive the constraints from COHERENT on lepton flavor violating NSI.

研究动机与目标

• 评估COHERENT的CEνNS测量结果之后，具有轻$Z^\prime$介子的大型非标准中微子相互作用（NSI）是否仍具可行性。
• 评估COHERENT数据和未来反应堆实验对LMA–Dark解（特征为$\theta_{12} > \pi/4$且$\epsilon \sim \mathcal{O}(1)$）的约束。
• 确定未来CEνNS实验（COHERENT和CONUS）在不同NSI通道（$ee$、$\mu\mu$、$\tau\tau$）中对LMA–Dark解的探测灵敏度。
• 研究基于$U(1)_X$的模型中，具有轻$Z^\prime$玻色子并产生大NSI的可行性，特别关注振荡数据中的简并性问题。
• 结合CEνNS约束与宇宙学边界（BBN和CMB），以填补对LMA–Dark解测试的剩余空白。

提出的方法

• 采用维度-6 NSI拉格朗日量的有效场论框架：$\mathcal{L}_{\text{NSI}} \supset 2\sqrt{2}G_F \epsilon_{\alpha\beta}^{f,V} (\bar{\nu}^\alpha \gamma^\mu \nu_\beta)(\bar{f}\gamma_\mu f)$，通过$\epsilon_{\alpha\beta}^{f,V}$参数化NSI强度。
• 分析COHERENT CsI探测器中CEνNS截面，建模核子在keV能量范围的相干散射。
• 应用COHERENT对CEνNS实现6.7$\sigma$探测的95%置信水平统计边界，约束$g_\nu g_q$乘积随$M_{Z^\prime}$（$Z^\prime$介子质量）的变化。
• 预测COHERENT在CsI探测器上运行10年（50%运行时间）的未来灵敏度，假设$\epsilon = 0$为基线。
• 结合CEνNS约束与宇宙学边界（大爆炸核合成BBN和宇宙微波背景CMB），后者约束$M_{Z^\prime} \lesssim 5$ MeV。
• 评估CONUS反应堆中微子实验（采用锗探测器设计）对$ee$-通道NSI的发现潜力。

实验结果

研究问题

• RQ1 在COHERENT的CEνNS数据之后，5–12 MeV范围内具有$Z^\prime$介子的大型NSI是否仍具可行性？
• RQ2 COHERENT当前及未来CEνNS测量在多大程度上能约束$\theta_{12} > \pi/4$且$\epsilon \sim \mathcal{O}(1)$的LMA–Dark解？
• RQ3 未来基于反应堆的CEνNS实验（如CONUS）结合宇宙学数据，能否完全排除$ee$-通道的LMA–Dark解？
• RQ4 振荡数据中的简并性（如味无关的$x$参数和GMOD）在CEνNS约束下，如何影响LMA–Dark解的保留？
• RQ5 在结合COHERENT、CONUS和宇宙学约束后，$\mu\mu$和$\tau\tau$ NSI通道在MeV量级$Z^\prime$介子下是否仍具可行性？

主要发现

• 基于CsI探测器中CEνNS测量，COHERENT数据在95%置信水平下已排除$M_{Z^\prime} > 48$ MeV时的LMA–Dark解。
• 未来COHERENT在CsI探测器上运行10年（50%运行时间）可将$M_{Z^\prime}$的约束提升至约10 MeV，但仍不足以填补与宇宙学边界的差距。
• 结合COHERENT、CONUS和宇宙学约束（BBN与CMB）可完全排除$ee$-通道中除特殊情形$x \to 2$外的所有LMA–Dark解，其中$x$参数化味无关NSI贡献。
• 在MeV量级$Z^\prime$介子下，$\mu\mu$和$\tau\tau$通道的LMA–Dark解即使在未来的CEνNS数据后仍具可行性，因这些通道的约束较弱。
• $\mu\mu$通道中的简并性（$ee$通道中不存在）导致在$g_\nu g_q$与$M_{Z^\prime}$平面中仅剩一个狭窄的允许参数空间，需依赖高统计量的未来实验才能分辨。
• $x=2$情形——即$\epsilon_{ee} = \epsilon_{e\mu} = \epsilon_{e\tau} = 0$但$\epsilon_{\mu\mu}, \epsilon_{\tau\tau} \neq 0$——并非微调，可由诸如电荷禁闭对称性等对称性所解释，从而保持$\mu\mu$/$\tau\tau$ LMA–Dark解的可行性。