[论文解读] Interpretation of the XENON1T excess in the model with decaying sterile neutrinos

V. V. Khruschov|arXiv (Cornell University)|Aug 6, 2020

Neutrino Physics Research参考文献 16被引用 4

一句话总结

该论文提出，XENON1T在1–7 keV能量范围内的电子反冲过剩现象源于两个惰性中微子（质量分别为3.4 keV和7.6 keV）的衰变，产生暗玻色子，后者随后与电子相互作用，在能量谱上形成三个明显的峰，分别位于约1.7 keV、3 keV和3.8 keV。该模型假设存在一个稳定的1.1 eV惰性中微子，并存在与光子的微小动能混合，从而统一解释了XENON1T异常现象以及短基线中微子异常现象。

ABSTRACT

The phenomenological model with three active and three sterile neutrinos is used for interpretation of the observed XENON1T excess of electronic recoil events in the 1 -- 7 keV energy region. Assuming two sterile neutrinos with appropriate mass values decay while the third sterile neutrino is stable it is possible to explain the observed energy spectrum of electronic recoil events. Moreover using this approach three peaks in the 1 -- 7 keV energy region are predicted. Dark bosons have to mix to only a small extent with photons which can be emitted in this region. The possible existence of the three light sterile neutrinos may have perceptible influence on some phenomena in neutrino physics, astrophysics and cosmology.

研究动机与目标

• 解释XENON1T实验在1–7 keV能量范围内观测到的未解释的电子反冲事件过剩现象。
• 研究XENON1T过剩现象是否可归因于惰性中微子衰变为暗玻色子并随后与电子发生相互作用。
• 检验(3+1+2)中微子模型（三活性与三惰性中微子）的可行性，其中两个惰性中微子发生衰变，而另一个保持稳定。
• 探索XENON1T异常现象、短基线中微子异常现象以及宇宙学影响之间的关联。

提出的方法

• 采用(3+1+2)中微子模型，包含三活性与三惰性中微子，其中两个惰性中微子（m₅ = 3.4 keV，m₆ = 7.6 keV）衰变为暗玻色子。
• 假设第三个惰性中微子（m₄ = 1.1 eV）为稳定态，并主导暗物质组分。
• 引入暗玻色子与光子之间的微小动能混合，以允许在keV能量范围内产生可探测的电磁信号。
• 通过建模惰性中微子衰变产生的暗玻色子与电子的散射过程，来描述电子反冲。
• 使用Pontecorvo–Maki–Nakagawa–Sakata (PMNS)矩阵描述中微子混合，假设中微子质量顺序为正常顺序，且δCP = 1.2π。
• 基于衰变动力学与暗玻色子性质，预测电子反冲能量谱上存在三个明显的峰，分别位于1.7 keV、3 keV和3.8 keV。

实验结果

研究问题

• RQ1 XENON1T在1–7 keV范围内的电子反冲过剩现象是否可由惰性中微子衰变为暗玻色子来解释？
• RQ2 在具有两个衰变惰性中微子的(3+1+2)模型中，电子反冲谱上预测了哪些特定能量峰？
• RQ3 包含一个稳定的1.1 eV惰性中微子如何影响宇宙学参数（如ΔNeff）以及H₀张力？
• RQ4 该模型是否能同时解释短基线中微子异常现象（如LSND、反应堆和镓异常）？

主要发现

• 该模型预测电子反冲能量谱上存在三个明显的峰，分别位于约1.7 keV、3 keV和3.8 keV，其来源为质量为3.4 keV和7.6 keV的惰性中微子衰变。
• 3.4 keV和7.6 keV的惰性中微子衰变为暗玻色子，后者通过弱相互作用产生电子反冲，从而解释了观测到的过剩现象。
• 稳定的1.1 eV惰性中微子态对有效相对论性自由度数（ΔNeff）有贡献，可能影响宇宙学约束及H₀张力。
• 暗玻色子与光子之间的微小动能混合使得keV能量范围内的可探测电磁信号成为可能，与XENON1T的探测灵敏度一致。
• 由于相同的惰性中微子区域能力，该模型在解释短基线中微子异常（如LSND、反应堆和镓异常）方面仍具可行性。
• 未来实验（如PandaX-4T、LZ和XENONnT）可对1–7 keV区域内的预测谱峰进行检验。