[论文解读] Examining the sensitivity of FASER to Generalized Neutrino Interactions

F. J. Escrihuela, L. J. Flores+3 more|arXiv (Cornell University)|Aug 29, 2023

Particle physics theoretical and experimental studiesPhysics and Astronomy被引用 3

一句话总结

本文研究了大型强子对撞机（LHC）上FASERν实验对广义中微子相互作用（GNI）的敏感性，采用有效场论框架，对中微子-核子深度非弹性散射过程中的标量、矢量、轴矢量、赝标量和张量耦合进行建模。FASERν对GNI有效耦合的约束极为严格，其对中性流过程的敏感度与CHARM和CDHS实验相当，对带电流过程的敏感度也具有竞争力，尤其在μ子和电子中微子通道以及矢量/轴矢量相互作用方面表现突出。

ABSTRACT

We investigate the sensitivity of the FASER$ν$ detector, a novel experimental setup at the LHC, to probe and constrain generalized neutrino interactions (GNI). Employing a comprehensive theoretical framework, we model the effects of generalized neutrino interactions on neutrino-nucleon deep inelastic scattering processes within the FASER$ν$ detector. By considering all the neutrino channels produced at the LHC, we perform a statistical analysis to determine the sensitivity of FASER$ν$ to constrain these interactions. Our results demonstrate that FASER$ν$ can place stringent constraints on the GNI effective couplings. Additionally, we study the relation between GNI and a minimal Leptoquark model where the SM is augmented by a singlet Leptoquark with hypercharge $1/3$. We have found that the sensitivities for various combinations of the Leptoquark Yukawa couplings are approximately $\mathcal{O}(1)$, particularly when considering a Leptoquark mass in the TeV range.

研究动机与目标

• 评估FASERν对广义中微子相互作用（GNI）的敏感性，涵盖标量、赝标量、矢量、轴矢量和张量耦合。
• 通过在有效场论框架下引入所有可能的洛伦兹结构，将研究范围从非标准相互作用（NSI）拓展至更广泛情形。
• 评估FASERν作为新物理在中微子 sector 中探测工具的潜力，特别是在轻子荷子模型背景下的表现。
• 将FASERν的预期约束与CHARM和CDHS实验的现有实验限值进行比较。
• 探索GNI参数与超荷为1/3的最小单重态轻子荷子模型之间的关联，重点关注汤川耦合的约束。

提出的方法

• 采用包含所有可能洛伦兹结构（标量、赝标量、矢量、轴矢量和张量相互作用）的一般四费米子拉格朗日量，构建有效场论（EFT）框架。
• 计算与FASERν的运动学和探测器接受度相关的带电流（CC）和中性流（NC）中微子-核子深度非弹性散射过程的微分截面。
• 利用模拟的FASERν事例样本进行统计分析，推导出GNI有效耦合在90%置信水平（CL）下的限制。
• 对所有中微子味进行积分，并考虑FASERν探测器的完整响应，包括能量分辨率和接受度截断。
• 将GNI参数空间映射到超荷为1/3的最小$S_1$轻子荷子模型，建立GNI耦合与轻子荷子汤川耦合之间的关系。
• 将FASERν的约束与CHARM和CDHS实验的现有限制以及LZ实验在相同轻子荷子模型下的限制进行比较。

实验结果

研究问题

• RQ1 FASERν在所有洛伦兹结构（标量、矢量、轴矢量、张量、赝标量）下，对带电流和中性流过程的广义中微子相互作用的预期敏感度如何？
• RQ2 GNI耦合的约束在不同中微子味（电子、μ子、τ子）和相互作用类型之间如何变化？
• RQ3 FASERν在多大程度上能够约束超荷为1/3的最小$S_1$轻子荷子模型的参数空间？
• RQ4 FASERν对GNI耦合的预期限制与CHARM和CDHS实验的现有限制在数量上相比如何？
• RQ5 FASERν对中微子和夸克的轻子荷子耦合的敏感度具有何种物理意义，特别是在矢量和轴矢量相互作用背景下？

主要发现

• FASERν对GNI有效耦合的约束极为严格，其中对矢量和轴矢量相互作用的敏感度最强，其次为张量相互作用。
• 最敏感的GNI参数是与μ子和电子中微子耦合的参数，而τ子中微子耦合的约束则显著较弱。
• 在中性流过程中，FASERν的敏感度与CHARM和CDHS实验相当，其限制仅比CHARM/CDHS联合数据的限制弱约三倍。
• 在最小$S_1$轻子荷子模型中，对于1000 GeV质量的轻子荷子，FASERν将左右手汤川耦合乘积$y^{L}_{d u}y^{R}_{d u}$约束在$Ó(1)$量级，其敏感度与LZ实验相当。
• 对$y^{L}_{d u}y^{R}_{d u}$耦合乘积的约束最强于μ子中微子相互作用，最弱于τ子中微子，与GNI的模式一致。
• 分析表明，FASERν对轻子荷子与中微子及下夸克耦合的探测敏感度可与直接暗物质搜寻相媲美，尤其在矢量和轴矢量耦合方面。