[论文解读] An Active-to-Sterile Neutrino Transition Dipole Moment and the XENON1T Excess

Ian M. Shoemaker, Yu-Dai Tsai+1 more|arXiv (Cornell University)|Jul 10, 2020

Cosmology and Gravitation Theories被引用 11

一句话总结

本文提出，通过活性中微子与惰性中微子之间的跃迁磁偶极矩，可在不违反天体物理约束的前提下解释XENON1T中的电子反冲过量。通过引入质量约为260 keV或在500–800 keV范围内的惰性中微子，该模型避开了SN1987A和恒星能量损失的限制，同时早期宇宙的低温再热温度缓解了大爆炸核合成（BBN）的约束。

ABSTRACT

In this short letter, we find that a magnetic transition dipole moment between tau and sterile neutrinos can account for the XENON1T excess events. Unlike the ordinary neutrino dipole moment, the introduction of the new sterile mass scale allows for astrophysical bounds to be suppressed. Interestingly, the best-fit regions that are compatible with the SN1987A imply either boron-8 or CNO neutrinos as the source flux. We find that sterile neutrinos of either $\sim$ 260 keV or in the $\sim$(500 - 800) keV mass range are capable of evading astrophysical constraints while being able to successfully explain the XENON1T event rate. The sterile neutrino in the best fit parameter space may have significant effects on big bang nucleosynthesis (BBN). We show the region in which a low reheating temperature of the Universe may allow the BBN constraints to be alleviated.

研究动机与目标

• 通过一种新颖的中微子偶极门户相互作用，解释XENON1T中的电子反冲过量。
• 避免通常排除此类模型的严格天体物理约束（例如来自SN1987A和恒星能量损失的约束）。
• 识别与XENON1T数据和宇宙学约束一致的可行惰性中微子质量与耦合强度。
• 探讨早期宇宙中低温再热温度如何缓解大爆炸核合成（BBN）对惰性中微子的约束。
• 评估在早期宇宙中热化与衰变过程下，偶极门户模型的可行性。

提出的方法

• 该模型通过相互作用拉格朗日量引入活性（tau）中微子与惰性中微子之间的跃迁磁偶极矩：$\mathcal{L} \supset d(\bar{\nu}_L \sigma_{\mu\nu} F^{\mu\nu} N) + \text{h.c.}$，其中 $d$ 为偶极耦合常数。
• 为惰性中微子赋予一个狄拉克质量 $m_4$，并假设其与活性中微子的混合可忽略，以避免强约束。
• 通过太阳中微子通量（pp、CNO 和 $^8$B）计算XENON1T中的事件率，并与观测到的过量进行比较，包含探测器效率。
• 利用热平均截面计算 $N$ 通过 $\nu + \gamma \to N$ 和 $\nu + e^- \to N$ 反应的热化率，并与哈勃速率进行比较。
• 通过要求在2–5 MeV以下热化率不超过哈勃速率来约束参数空间，以避免 $N$ 过度填充并违反BBN。
• 评估低温再热温度（$T_{\rm RH} \sim 2{-}5$ MeV）对热化与BBN的影响，表明此类情景可避开强约束。

实验结果

研究问题

• RQ1 活性中微子与惰性中微子之间的跃迁磁偶极矩是否能解释XENON1T中的电子反冲过量？
• RQ2 此类模型如何避开来自SN1987A和恒星能量损失的天体物理约束？
• RQ3 哪些惰性中微子质量与偶极耦合强度与XENON1T数据和宇宙学约束一致？
• RQ4 早期宇宙中的低温再热温度是否能缓解大爆炸核合成（BBN）对惰性中微子的约束？
• RQ5 逆向衰变过程（$\nu + \gamma \to N$）在热化惰性中微子及影响宇宙学约束方面起什么作用？

主要发现

• XENON1T中的过量信号可通过tau中微子与质量约为260 keV或在500–800 keV范围内的惰性中微子之间的跃迁偶极矩来解释。
• 由于新引入的惰性中微子质量尺度抑制了天体物理约束，该模型避开了SN1987A和恒星能量损失的限制。
• $^8$B和CNO中微子的最佳拟合区域与低温再热温度情景（$T_{\rm RH} \sim 2{-}5$ MeV）相容，后者抑制了热化过程并缓解了BBN约束。
• $^8$B中微子通量在 $m_4 \sim 640$ keV 和 $d \sim 2.2 \times 10^{-9}~\mu_B$ 附近产生最佳拟合区域，与观测到的XENON1T信号谱一致。
• $\nu + \gamma \to N$ 逆向衰变过程在热化中起关键作用，其在 $T \sim m_4/2$ 处出现共振，并在某些区域可能主导于 $e^- + \nu \to N$ 过程。
• 识别出热化率在2 MeV或5 MeV以下超过哈勃速率的参数区域，而可行区域位于这些曲线之下，表明在低温 $T_{\rm RH}$ 条件下BBN具有潜在安全性。