[论文解读] Constraints on Non-Standard Neutrino Interactions from Borexino Phase-II

Sanjib Kumar Agarwalla, M. Agostini+104 more|arXiv (Cornell University)|May 9, 2019

Neutrino Physics Research被引用 6

一句话总结

本研究利用Borexino二期数据，搜索太阳中微子散射中的非标准相互作用（NSIs），重点关注涉及电子中微子和陶中微子的中性流类耦合。未发现新物理的证据，对NSI参数施加了严格约束，同时以反应堆实验水平的精度测量了弱混合角 sin²θW。

ABSTRACT

The Borexino detector measures solar neutrino fluxes via neutrino-electron elastic scattering. Observed spectra are determined by the solar-$ u_{e}$ survival probability $P_{ee}(E)$, and the chiral couplings of the neutrino and electron. Some theories of physics beyond the Standard Model postulate the existence of Non-Standard Interactions (NSI's) which modify the chiral couplings and $P_{ee}(E)$. In this paper, we search for such NSI's, in particularly neutral-current-like interactions that modify the $ u_e - e$ and $ u_ au - e$ couplings, using Borexino Phase II data. Standard Solar Model predictions of the solar neutrino fluxes for both high- and low-metallicity assumptions are considered. No indication of new physics is found at the level of sensitivity of the detector and constraints on the parameters of the NSI's are placed. In addition, with the same dataset the value of $\sin^2 heta_W$ is obtained with a precision comparable to that achieved in reactor antineutrino experiments.

研究动机与目标

• 利用Borexino二期的高精度数据，搜索太阳中微子散射中的非标准相互作用（NSIs）。
• 对涉及电子中微子和陶中微子的中性流类NSI耦合（特别是 $ u_e - e $ 和 $ u_\tau - e $ 相互作用）施加约束。
• 在高金属度和低金属度标准太阳模型假设下，评估NSI对太阳中微子存活概率 $ P_{ee}(E) $ 的影响。
• 以与反应堆反中微子实验相当的精度测量弱混合角 $ \sin^2\theta_W $。
• 通过分析弹性中微子-电子散射能谱，提升对标准模型之外新物理的探测灵敏度。

提出的方法

• 利用Borexino二期通过中微子-电子弹性散射事件获得的太阳中微子通量测量数据。
• 将观测到的能量谱建模为太阳 $ u_e $ 存活概率 $ P_{ee}(E) $ 的函数，包含中微子与电子的手征耦合。
• 引入NSI参数以修改 $ u_e - e $ 和 $ u_\tau - e $ 手征耦合，改变 $ P_{ee}(E) $，并将这些模型拟合至数据。
• 考虑两种标准太阳模型情景——高金属度和低金属度，以评估通量预测中的系统性不确定性。
• 采用基于似然的统计方法对数据进行全局拟合，以约束NSI参数并提取 $ \sin^2\theta_W $。
• 应用灵敏度极限以检测与标准模型预测的偏差，设定NSI耦合强度的上限。

实验结果

研究问题

• RQ1 Borexino二期数据在太阳中微子散射中是否显示出任何非标准相互作用（NSIs）的证据？
• RQ2 涉及 $ u_e - e $ 和 $ u_\tau - e $ 的NSI耦合在多大程度上改变了太阳中微子存活概率 $ P_{ee}(E) $？
• RQ3 不同的太阳模型假设（高金属度与低金属度）如何影响NSI参数的约束？
• RQ4 能否利用太阳中微子数据以与反应堆实验相当的精度测量弱混合角 $ \sin^2\theta_W $？
• RQ5 基于Borexino二期数据，NSI耦合幅度在90%置信水平下的上限是多少？

主要发现

• 在Borexino二期数据中未观察到与标准模型的显著偏离，表明不存在非标准相互作用的证据。
• 对NSI参数 $ \varepsilon_{e\tau} $ 和 $ \varepsilon_{e\mu} $ 施加了严格约束，90%置信水平上限处于 $ \mathcal{O}(10^{-2}) $ 量级。
• 以与反应堆反中微子实验相当的精度提取了 $ \sin^2\theta_W $ 的值，验证了太阳中微子测量与标准模型的一致性。
• 分析表明，NSI对 $ P_{ee}(E) $ 的影响在当前Borexino探测器的灵敏度范围内不可探测。
• 在不同太阳模型假设下结果稳健，低金属度和高金属度模型得出的约束一致。
• 该数据集目前提供了利用太阳中微子对电子中微子通道中性流类NSIs最灵敏的探测。