[论文解读] JUNO Sensitivity to Resonant Absorption of Galactic Supernova Neutrinos by Dark Matter

Tarso Franarin, Malcolm Fairbairn+1 more|arXiv (Cornell University)|Jun 13, 2018

Dark Matter and Cosmic Phenomena参考文献 1被引用 6

一句话总结

本文研究了JUNO探测银河系超新星中微子通过标量暗物质发生共振吸收的潜力，其机制是通过一种新的费米子中介子，利用JUNO卓越的能量分辨率识别出尖锐的谱线凹陷。研究结果表明，JUNO可探测高达约20 MeV的暗物质质量下的暗物质-中微子耦合，为检验具有伪狄拉克中介子和实标量暗物质的模型提供了可行路径。

ABSTRACT

Resonant interactions between neutrinos from a Galactic supernova and dark matter particles can lead to a sharp dip in the neutrino energy spectrum. Due to its excellent energy resolution, measurement of this effect with the JUNO experiment can provide evidence for such couplings. We discuss how JUNO may confirm or further constrain a model where scalar dark matter couples to active neutrinos and another fermion.

研究动机与目标

• 探索通过银河系超新星中微子通量的谱线畸变探测暗物质-中微子相互作用的可行性。
• 评估JUNO卓越的能量分辨率是否能够分辨由s通道中微子-暗物质散射引起的窄共振凹陷。
• 约束一种特定模型，即实标量暗物质与伪狄拉克费米子中介子耦合至活性中微子的模型。
• 确定在真实超新星中微子能谱和探测器响应条件下，JUNO探测此类共振特征的灵敏度极限。
• 将该信号的可探测性与其它提议方法进行比较，特别是依赖于弥散超新星中微子背景的方法。

提出的方法

• 建立涉及中微子质量本征态、标量暗物质场φ和新费米子N的相互作用拉格朗日量，形式为g_i N_R† ν_i,L φ，其中g_i = Σ_α U_αi g_α。
• 聚焦于s通道过程ν_i φ → ν_j φ，当质心系能量与中介子N的质量匹配时，会导致共振吸收。
• 计算截面的共振宽度和能量依赖性，以确定中微子能谱中谱线凹陷的深度与宽度。
• 利用包含与不包含DM-中微子耦合的超新星模型，模拟地球处预期的中微子通量，并引入JUNO的能量分辨率函数。
• 对耦合强度g_τ、中介子质量m_N和暗物质质量m_φ进行灵敏度扫描，固定中微子质量顺序（正常/反常）。
• 将可探测的谱线偏离标准通量与JUNO的能量分辨率及统计灵敏度进行比较，以识别可观测的参数区域。

实验结果

研究问题

• RQ1 JUNO能否探测由s通道散射引起的银河系超新星中微子谱中的共振凹陷？
• RQ2 在JUNO能量分辨率的限制下，此类凹陷可探测的最大暗物质质量是多少？
• RQ3 中微子质量顺序（正常与反常）的变化如何影响谱线畸变的可探测性？
• RQ4 需要多大的耦合强度g_τ才能实现可观测信号？该值与宇宙学和对撞机约束相比如何？
• RQ5 对于此特定信号，JUNO的灵敏度与其它提议探测器（如Hyper-Kamiokande）相比如何？

主要发现

• 由于其卓越的能量分辨率，JUNO可探测银河系超新星中微子谱中的共振吸收凹陷，从而识别出窄谱特征。
• 当暗物质质量高达约20 MeV时，该凹陷仍可探测；超过此质量后，共振宽度小于JUNO的能量分辨率，导致特征无法探测。
• 在固定耦合强度g_τ = 0.5且共振能量E_res = 20 MeV的条件下，该信号在高达约20 MeV的广泛暗物质质量范围内仍可见。
• 由于暗物质质量与中介子质量m_N之间存在简并，仅凭凹陷的位置与宽度无法唯一重建这两个参数。
• 该实标量暗物质与伪狄拉克费米子中介子的模型允许较大的耦合（g_τ ~ 0.1），且与观测到的遗迹密度一致，使该信号具有潜在可观测性。
• 与弥散背景探测方法（如[30]中所述）相比，该方法更灵敏，因为高统计量、局域性强的银河系超新星信号提供了比弥散通量更强、更清晰的信号。