[论文解读] Lepton Number Violating Electron Recoils at XENON1T by the $U(1)_{B-L}$ Model with Non-Standard Interactions

Y. Gao, Tianjun Li|arXiv (Cornell University)|Jun 30, 2020

Neutrino Physics Research被引用 7

一句话总结

该论文提出一个 $SU(3)_C \times SU(2)_L \times U(1)_Y \times U(1)_{B-L}$ 模型，其中 $U(1)_{B-L}$ 对称性自发破缺通过一级 seesaw 机制生成中微子质量，并产生一个轻的媒介子，导致非标准的轻子数破坏相互作用。这些相互作用在 keV 能量范围产生电子反冲，与 XENON1T 实验观测到的过量一致。

ABSTRACT

We propose an $SU(3)_C imes SU(2)_L imes U(1)_{Y} imes U(1)_{B-L}$ model, in which the neutrino masses and mixings can be generated via Type-I seesaw mechanism after $U(1)_{B-L}$ breaking. A light mediator emerges and leads to non-standard interactions leptons which violate the lepton number. We show that these non-standard interactions leads to low energy recoil events that is consistent with the observed KeV range electron recoil excess at the XENON1T experiment. Observational bounds on the non-standard couplings are discussed.

研究动机与目标

• 解释 XENON1T 实验中观测到的未解的 keV 能量尺度电子反冲过量。
• 探讨通过非标准相互作用实现的轻子数破坏是否能够解释该过量。
• 构建一个可重整化的 $U(1)_{B-L}$ 扩展标准模型，通过 seesaw 机制生成中微子质量。
• 推导由该模型产生的非标准耦合的观测约束。

提出的方法

• 假设一个 $SU(3)_C \times SU(2)_L \times U(1)_Y \times U(1)_{B-L}$ 规范群，并实现 $U(1)_{B-L}$ 的自发破缺。
• 引入重右手中微子以实现中微子质量生成的一级 seesaw 机制。
• 将一个轻的 $Z'$ 类型规范玻色子识别为破坏轻子数的非标准相互作用的媒介子。
• 推导轻子与该轻媒介子之间的有效相互作用，导致轻子数破坏的电子反冲。
• 计算由于这些非标准相互作用在 XENON1T 中产生的微分反冲率。
• 应用实验限制以约束媒介子的非标准耦合。

实验结果

研究问题

• RQ1 XENON1T 在 keV 范围内的电子反冲过量是否能通过 $U(1)_{B-L}$ 模型中的轻子数破坏相互作用来解释？
• RQ2 U(1)_{B-L} 破解对生成中微子质量和轻媒介子有何影响？
• RQ3 由轻 $Z'$ 玻色子介导的非标准相互作用如何影响低能电子反冲信号？
• RQ4 从 XENON1T 数据出发，非标准耦合的可行参数空间约束是什么？
• RQ5 观测到的反冲过量是否与包含 seesaw 生成中微子质量的 $U(1)_{B-L}$ 模型一致？

主要发现

• 该模型在 $U(1)_{B-L}$ 对称性破缺后，成功通过一级 seesaw 机制生成中微子质量。
• 从 $U(1)_{B-L}$ 破缺中涌现出一个轻规范玻色子（媒介子），并介导轻子数破坏的相互作用。
• 这些非标准相互作用在 keV 能量范围内产生电子反冲事件，与 XENON1T 的过量观测一致。
• 该模型对反冲谱的预测在实验不确定度范围内与观测数据相符。
• 推导出了对非标准耦合的观测约束，从而限制了该模型的参数空间。
• 该框架提供了一个无需引入新轻暗物质候选者的 XENON1T 异常的可行解释。