[论文解读] Bounds on new physics with data of the Dresden-II reactor experiment and COHERENT

Pilar Coloma, Ivan Esteban+4 more|arXiv (Cornell University)|Feb 22, 2022

Neutrino Physics Research参考文献 93被引用 53

一句话总结

本论文首次利用德累斯顿-II反应堆实验的数据，对新物理施加了约束，该实验首次观测到了反应堆反中微子的相干弹性中微子-核子散射（CEνNS）。通过将德累斯顿-II数据与散裂中子源的COHERENT实验数据相结合，该研究加强了对中微子非标准相互作用、磁矩以及轻标量/矢量媒介子的约束——尤其突出了电子弹性散射带来的增强灵敏度，使低于20 MeV质量的轻矢量媒介子的约束提高了最多达5倍。

ABSTRACT

Coherent elastic neutrino-nucleus scattering was first experimentally established five years ago by the COHERENT experiment using neutrinos from the spallation neutron source at Oak Ridge National Laboratory. The first evidence of observation of coherent elastic neutrino-nucleus scattering with reactor antineutrinos has now been reported by the Dresden-II reactor experiment, using a germanium detector. In this paper, we present constraints on a variety of beyond the Standard Model scenarios using the new Dresden-II data. In particular, we explore the constraints imposed on neutrino non-standard interactions, neutrino magnetic moments, and several models with light scalar or light vector mediators. We also quantify the impact of their combination with COHERENT (CsI and Ar) data. In doing so, we highlight the synergies between spallation neutron source and nuclear reactor experiments regarding beyond the Standard Model searches, as well as the advantages of combining data obtained with different nuclear targets. We also study the possible signal from beyond the Standard Model scenarios due to elastic scattering off electrons (which would pass selection cuts of the COHERENT CsI and the Dresden-II experiments) and find more stringent constraints in certain parts of the parameter space than those obtained considering coherent elastic neutrino-nucleus scattering.

研究动机与目标

• 利用德累斯顿-II实验首次观测到的反应堆反中微子相干弹性中微子-核子散射（CEνNS）数据，推导出对标准模型之外（BSM）物理的新约束。
• 量化反应堆与散裂中子源实验（如COHERENT）在通过CEνNS和电子散射探测BSM情景方面的协同潜力。
• 评估此前在BSM分析中被忽略的电子弹性散射对轻媒介子或磁矩模型中灵敏度提升的影响。
• 比较不同核靶（Ge、CsI、Ar）在约束风味相关与普遍性BSM相互作用方面的表现。
• 评估低动量转移实验在探测轻新物理（尤其是CEνNS在信号中非主导时）的探测能力。

提出的方法

• 使用了德累斯顿-II反应堆实验新发布的高曝光数据，该数据在锗探测器中对CEνNS信号表现出对背景的强烈偏好。
• 将德累斯顿-II数据与散裂中子源（Spallation Neutron Source）中CsI和氩探测器的COHERENT数据相结合，利用中微子味组成和靶核的不同。
• 为多种BSM模型（非标准中微子相互作用NSI、中微子磁矩、轻标量/矢量媒介子）构建了CEνNS和电子弹性散射（ES）的事件率预测。
• 采用贝叶斯统计分析，将信号假设（BSM + SM）与仅背景假设进行比较，计算贝叶斯因子和后验分布。
• 纳入了实际探测器效应，包括淬灭因子、能量分辨率以及通过有效Zeff修正的电子结合能，适用于Ge、CsI和Ar。
• 评估了各实验及其组合对不同BSM参数的灵敏度，尤其关注ES可能主导的低动量转移区域。

实验结果

研究问题

• RQ1 与以往限制相比，德累斯顿-II反应堆实验的新数据在多大程度上改善了对中微子非标准相互作用（NSI）的约束？
• RQ2 在CEνNS实验中，包含电子弹性散射（ES）在多大程度上增强了对轻矢量和标量媒介子的灵敏度？
• RQ3 在探测风味相关BSM相互作用时，结合COHERENT（SNS）与德累斯顿-II（反应堆）数据的协同增益有多大？
• RQ4 COHERENT与德累斯顿-II在中微子磁矩约束方面表现如何比较？对于不同中微子味，哪个实验更灵敏？
• RQ5 在参数空间的哪些区域，电子散射会主导于CEνNS？这对探测低于100 MeV质量的轻媒介子的探测能力有何影响？

主要发现

• 与仅基于CEνNS的约束相比，分析中包含电子散射（ES）使对轻矢量媒介子（B−L和普遍性模型）的约束在媒介子质量低于20 MeV时至少提高了5倍。
• 对于COHERENT的CsI数据，ES对信号贡献显著，在低质量矢量媒介子区域，其约束强于仅CEνNS的约束。
• 在约束中微子磁矩方面，德累斯顿-II数据优于COHERENT，除非涉及μ中微子磁矩，后者仅可通过COHERENT的混合味通量探测。
• COHERENT（CsI、Ar）与德累斯顿-II（Ge）数据的结合打破了非标准相互作用（NSI）参数的简并性，尤其显著改善了对电子味NSI参数的约束。
• 对于轻标量媒介子和中微子磁矩，CEνNS在德累斯顿-II的能量范围内仍是主导信号，但在更高能量下ES变得具有竞争力。
• 未来分析中扩展重建能量范围，可显著提升德累斯顿-II实验对涉及轻矢量媒介子的BSM情景的探测灵敏度。