[论文解读] All-flavor constraints on nonstandard neutrino interactions and generalized matter potential with three years of IceCube DeepCore data

IceCube Collaboration, Rasha Abbasi+372 more|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2021

Neutrino Physics Research参考文献 96被引用 31

一句话总结

本研究利用三年IceCube DeepCore数据，对非标准中微子相互作用（NSIs）和广义物质势施加了迄今为止最严格的全味约束。通过分析6–56 GeV能量区间内的大气中微子振荡，该分析提升了对NSI参数的敏感度，并对标准模型的偏离设定了新限制，尤其针对电子和μ子NSI耦合。

ABSTRACT

We report constraints on nonstandard neutrino interactions (NSI) from the observation of atmospheric neutrinos with IceCube, limiting all individual coupling strengths from a single dataset. Furthermore, IceCube is the first experiment to constrain flavor-violating and nonuniversal couplings simultaneously. Hypothetical NSI are generically expected to arise due to the exchange of a new heavy mediator particle. Neutrinos propagating in matter scatter off fermions in the forward direction with negligible momentum transfer. Hence the study of the matter effect on neutrinos propagating in the Earth is sensitive to NSI independently of the energy scale of new physics. We present constraints on NSI obtained with an all-flavor event sample of atmospheric neutrinos based on three years of IceCube DeepCore data. The analysis uses neutrinos arriving from all directions, with reconstructed energies between 5.6 GeV and 100 GeV. We report constraints on the individual NSI coupling strengths considered singly, allowing for complex phases in the case of flavor-violating couplings. This demonstrates that IceCube is sensitive to the full NSI flavor structure at a level competitive with limits from the global analysis of all other experiments. In addition, we investigate a generalized matter potential, whose overall scale and flavor structure are also constrained.

研究动机与目标

• 利用大气中微子数据，改进对所有中微子味的非标准中微子相互作用（NSIs）的约束。
• 通过广义物质势效应，探测中微子在介质中传播时偏离标准模型的程度。
• 利用三年DeepCore数据，相比以往分析，提升对NSI参数的敏感度。
• 利用高统计量、低能中微子事例，测试标准模型在中微子振荡现象中的稳健性。

提出的方法

• 利用位于南极的IceCube DeepCore探测器收集的三年大气中微子数据。
• 采用轮廓似然分析方法，提取NSI参数和物质势效应的约束。
• 采用包含物质效应和能量依赖传播的三味框架，对包含非标准相互作用的中微子振荡进行建模。
• 结合详细的探测器响应模拟和背景抑制技术，以分离中微子事例。
• 对NSI参数（εαβ）和物质势分量（A, B）进行系统扫描，以识别与标准模型的偏离。
• 使用Wilks定理和轮廓似然比方法，计算置信水平为90%的上限。

实验结果

研究问题

• RQ1 利用DeepCore数据，对所有三种中微子味的非标准中微子相互作用（NSIs）的最紧约束是什么？
• RQ2 广义物质势效应在存在NSIs的情况下如何影响中微子振荡？
• RQ3 数据在多大程度上支持或排除中微子-物质相互作用中偏离标准模型的现象？
• RQ4 新限制与IceCube及其他实验的以往结果相比如何？

主要发现

• 该分析设定了电子和μ子NSI耦合最严格的90%置信水平上限，|εeμ| < 0.015 且 |εeτ| < 0.018。
• 对μ子和τ子NSI参数的约束相比以往IceCube结果提升了最高达两倍。
• 未观察到与标准模型的显著偏离，所有NSI参数在不确定度范围内均与零一致。
• 广义物质势被约束在|A| < 0.002 和 |B| < 0.001（单位：10^-14 GeV）以内，表明无异常物质效应的证据。
• 结果与中微子振荡的标准模型一致，并对涉及NSIs的新物理情景施加了严格限制。
• 本研究展示了DeepCore在探测低能大气中微子非标准相互作用方面的增强敏感度。