[论文解读] Generic neutrino interactions with sterile neutrinos in light of neutrino-nucleus coherent scattering and meson invisible decays

Tong Li, Xiao-Dong Ma+1 more|arXiv (Cornell University)|May 4, 2020

Particle physics theoretical and experimental studies被引用 2

一句话总结

该论文通过低能有效场论（LNEFT）和含右手中微子的SM有效场论（SMNEFT），利用CE$\nu$NS和介子隐形衰变约束了惰性中微子的相互作用。研究发现，介子衰变是唯一对夸克-中微子相互作用中$\tau$-味和$s$-夸克分量敏感的探测手段，而CE$\nu$NS对其他威尔逊系数设定了最严格的限制，不同算符对应的新物理尺度为0.5–1.5 TeV和2.7–10 TeV。

ABSTRACT

In this work we study the current bounds from the CE$ u$NS process and meson invisible decays on generic neutrino interactions with sterile neutrinos in effective field theories. The interactions between quarks and left-handed SM neutrinos and/or right-handed neutrinos are first described by the low-energy effective field theory (LNEFT) between the electroweak scale and the chiral symmetry breaking scale. We complete the independent operator basis for the LNEFT up to dimension-6 by including both the lepton-number-conserving (LNC) and lepton-number-violating (LNV) operators involving right-handed neutrinos. We translate the bounds on the LNEFT Wilson coefficients from the COHERENT observation and calculate the branching fractions of light meson invisible decays. The bounds on LNEFT are then mapped onto the SM effective field theory with sterile neutrinos (SMNEFT) to constrain new physics above the electroweak scale. We find that the meson invisible decays can provide the only sensitive probe for $ au$ neutrino flavor component and $s$ quark component in the quark-neutrino interactions involving two (one) active neutrinos and for the effective operators without any active neutrino fields. The CE$ u$NS process places the most stringent bound on all other Wilson coefficients. By assuming one dominant Wilson coefficient at a time in SMNEFT and negligible sterile neutrino mass, the most stringent limits on the new physics scale are $2.7-10$ TeV from corresponding dipole operator in LNEFT and $0.5-1.5$ TeV from neutrino-quark operator in LNEFT.

研究动机与目标

• 在低能有效场论（LNEFT）中完成至六维的独立算符基，包括涉及右手中微子的轻子数守恒（LNC）和轻子数不守恒（LNV）算符。
• 将来自CE$\nu$NS实验和介子隐形衰变的约束映射到LNEFT的威尔逊系数上。
• 将LNEFT的约束映射到含惰性中微子的SM有效场论（SMNEFT）中，以探测电弱尺度以上的新物理。
• 识别哪些过程对惰性中微子相互作用中特定中微子味和夸克分量提供最敏感探测。
• 在每次仅一个主导威尔逊系数且惰性中微子质量可忽略的假设下，推导出新物理尺度的定量限制。

提出的方法

• 构建包含左手性SM中微子、右手中微子和夸克的LNEFT中六维算符的完整基，涵盖LNC和LNV相互作用。
• 利用COHERENT实验关于相干中微子-核子散射（CE$\nu$NS）的实验数据，约束LNEFT的威尔逊系数。
• 计算轻介子隐形衰变（如$K^+ \to \mu^+ \nu_\mathrm{inv}$）的分支比，以提取对LNEFT参数的额外约束。
• 将推导出的LNEFT约束映射到SMNEFT框架中，将其解释为对电弱尺度以上新物理尺度的约束。
• 通过每次仅假设一个主导威尔逊系数且惰性中微子质量可忽略的系统性分析，推导出对新物理尺度的保守限制。
• 应用含惰性中微子的SMEFT框架，将结果解释为有效耦合及其能量尺度抑制的形式。

实验结果

研究问题

• RQ1 哪些过程对涉及一个或两个活性中微子的夸克-中微子相互作用中$\tau$-味和$s$-夸克分量的惰性中微子相互作用提供最敏感探测？
• RQ2 CE$\nu$NS和介子隐形衰变如何约束LNEFT中六维算符的威尔逊系数？
• RQ3 在SMNEFT中假设一个主导威尔逊系数时，新物理尺度的最终限制是什么？
• RQ4 在存在惰性中微子的情况下，轻子数守恒和轻子数不守恒算符如何共同对约束产生贡献？
• RQ5 对于夸克-中微子相互作用的不同分量，介子隐形衰变与CE$\nu$NS的相对探测灵敏度如何？

主要发现

• 介子隐形衰变是唯一对涉及一个或两个活性中微子的夸克-中微子相互作用中$\tau$中微子味分量和$s$夸克分量敏感的探测手段。
• 来自COHERENT实验的CE$\nu$NS过程在LNEFT框架中对所有其他威尔逊系数设定了最严格的限制。
• 在每次仅一个主导威尔逊系数且惰性中微子质量可忽略的假设下，LNEFT中偶极算符的新物理尺度最严格限制为2.7–10 TeV。
• 对于LNEFT中的中微子-夸克算符，最严格的限制给出的新物理尺度为0.5–1.5 TeV。
• 不含任何活性中微子场的算符也受到约束，其中介子隐形衰变是此类情况下的主要探测手段。
• 该分析表明，介子衰变对CE$\nu$NS未探测到的特定味和夸克分量具有独特敏感性，凸显了其在惰性中微子搜寻中的互补作用。