[论文解读] Constraints on the non-standard interaction in propagation from atmospheric neutrinos

Shinya Fukasawa, Osamu Yasuda|arXiv (Cornell University)|Mar 27, 2015

Neutrino Physics Research参考文献 28被引用 5

一句话总结

本论文利用超级神冈（SK）和未来Hyper-Kamiokande（HK）实验的数据，对大气中微子传播中的非标准相互作用（NSIs）进行约束，假设味依赖的NSI参数为εee、εeτ和εττ，并满足εττ ≈ |εeτ|²/(1+εee)。SK数据在97.5%置信水平下将|tanβ| ≡ |εeτ/(1+εee)|约束在≲ 0.8以内，而HK预计可将该界限提升至≲ 0.3，且通过能谱分析可获得对εee和|εeτ|更严格的约束。

ABSTRACT

The sensitivity of the atmospheric neutrino experiments to the non-standard flavor-dependent interaction in neutrino propagation is studied under the assumption that the only nonvanishing components of the non-standard matter effect are the electron and tau neutrino components $ε_{ee}$, $ε_{eτ}$, $ε_{ττ}$ and that the tau-tau component satisfies the constraint $ε_{ττ}=|ε_{eτ}|^2/(1+ε_{ee})$ which is suggested from the high energy behavior for atmospheric neutrino data. It is shown that the Superkamiokande (SK) data for 4438 days constrains $| anβ|\equiv|ε_{eτ}/(1+ε_{ee})|\lesssim 0.8$ at 2.5$σ$ (98.8\%) CL whereas the future Hyperkamiokande experiment for the same period of time as SK will constrain as $| anβ|\lesssim 0.3$ at 2.5$σ$CL from the energy rate analysis and the energy spectrum analysis will give even tighter bounds on $ε_{ee}$ and $|ε_{eτ}|$.

研究动机与目标

• 利用大气中微子数据约束中微子传播中味依赖的非标准相互作用（NSIs）。
• 评估超级神冈（SK）和未来Hyper-Kamiokande（HK）实验对NSI参数εee、εeτ和εττ的敏感度。
• 研究大气中微子高能行为对NSI参数约束的影响。
• 评估能谱分析与事例率分析在提升NSI敏感度方面的作用，特别是缓解中微子与反中微子之间破坏性干涉的影响。
• 探索HK测量NSI参数并探测标准模型之外物理的潜力。

提出的方法

• 假设一个简化的NSI介质势矩阵，仅允许εee、εeτ和εττ非零，并基于高能大气中微子数据施加约束条件εττ = |εeτ|²/(1+εee)。
• 使用含修正介质势矩阵A的狄拉克方程来描述中微子在地球介质中的传播，以包含NSI效应。
• 对模拟和真实的大气中微子数据执行χ²分析，将观测到的事例率和能谱与NSI模型和标准振荡模型的预测进行比较。
• 分别对SK和HK的能谱率和能谱数据进行分析，后者假设曝光时间为4438天。
• 采用2.5σ置信水平（CL）标准（Δχ² = 8.8，自由度为2）以确定(εee, |εeτ|)参数空间中的允许区域。
• 考虑中微子-反中微子干涉的影响，以及HK中区分中微子与反中微子可能带来的敏感度提升。

实验结果

研究问题

• RQ1 基于超级神冈大气中微子数据，NSI参数|εeτ/(1+εee)|的当前约束是什么？
• RQ2 Hyper-Kamiokande对NSI参数的敏感度与Super-Kamiokande相比如何？
• RQ3 与仅基于事例率的分析相比，能谱分析在多大程度上改善了NSI约束？
• RQ4 中微子与反中微子之间的破坏性干涉如何影响NSI敏感度？是否可以缓解？
• RQ5 在不同中微子质量顺序下，HK对εee和|εeτ|的测量精度预期如何？

主要发现

• 超级神冈4438天的数据在2.5σ置信水平下将|tanβ| ≡ |εeτ/(1+εee)|约束在≲ 0.8以内（98.8%置信水平）。
• Hyper-Kamiokande预计可通过能谱率分析将该界限提升至|tanβ| ≲ 0.3（2.5σ置信水平）。
• HK的能谱分析将提供更严格的约束：在正常质量顺序下，2.5σ置信水平下-0.1 ≲ εee ≲ 0.2且|εeτ| < 0.08。
• 在反常质量顺序下，HK能谱分析将εee约束在-0.4 ≲ εee ≲ 1.2，|εeτ| < 0.34（2.5σ置信水平）。
• 当发生中微子-反中微子干涉时，NSI参数的敏感度显著降低，尤其在|εee| ≳ 2或反常质量顺序下更为明显。
• 如HK计划中所设想的，能够区分中微子与反中微子，将通过避免破坏性干涉极大提升NSI敏感度。