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

Yugen Lin, Yu Gao+1 more|arXiv (Cornell University)|Jun 29, 2020

Particle physics theoretical and experimental studies被引用 7

一句话总结

本文提出一种标准模型的 $U(1)_{B-L}$ 扩展，其中包含一个轻量级标量媒介子，介导中微子与电子之间的轻子数破坏型非标准相互作用（NSIs）。这些NSIs通过太阳中微子散射增强了低能电子反冲速率，结合XENON1T、PANDAX和XENONnT的数据约束，得出 $\sqrt{y'_{\nu}y_e} < 0.5 \times 10^{-6}$，这是迄今对这类耦合最严格的限制。

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 enables non-standard interaction that violates the lepton number. We show that the non-standard neutrino interaction emerges in this model, and it can lead to low energy recoil events with the solar neutrino flux. Analyses are performed with the keV range electron recoil events at recent direct detection experiments, including XENON1T, PANDAX and XENONnT. Recent direct detection observations lead to upper bound on the combined coupling strength to electron and neutrino to $\sqrt{y'_νy_e} &lt; 0.5 imes 10^{-6}$.

研究动机与目标

• 通过非标准中微子-电子相互作用解释直接探测实验中观测到的近期千电子伏量级电子反冲事件。
• 构建一个在对称性破缺后通过类型-I seesaw机制生成轻中微子质量的 $U(1)_{B-L}$ 扩展模型。
• 识别一个轻量级标量媒介子，介导中微子与电子之间的轻子数破坏型相互作用。
• 利用XENON1T、PANDAX和XENONnT的数据推导并检验有效耦合 $\sqrt{y'_{\nu}y_e}$ 的约束。
• 评估该模型与天体物理限制的一致性，特别是来自恒星冷却和反应堆中微子实验的限制。

提出的方法

• 该模型在标准模型基础上扩展为 $SU(3)_C \times SU(2)_L \times U(1)_Y \times U(1)_{B-L}$ 规范对称性，引入新的标量场，包括一个三重态 $\Phi$、双态 $H, H'$ 以及单态 $S, T$。
• 在 $U(1)_{B-L}$ 和电弱对称性破缺之后，一个轻量级标量 $s_1$ 作为媒介子出现，通过右手中微子和其他新场与 $\overline{\nu^c}\nu$ 和 $\overline{e}e$ 相互作用。
• 有效相互作用 $\mathcal{L}_{\text{int}} \sim y'_{\nu} s_1 \overline{\nu^c}\nu + y_e s_1 \overline{e}e$ 诱导了轻子数破坏型 $\nu e \to \nu^c e$ 散射过程。
• 利用相对论场论推导电子反冲的微分截面，得到 $d\sigma/dE_k \propto y'^2 y_e^2 E_k M_e (E_k + 2M_e) / (M_s^2 + 2M_e E_k)^2$，该结果在轻媒介子极限下成立。
• 计算太阳中微子的反冲谱，并与标准模型背景进行比较，通过拟合XENON1T、PANDAX和XENONnT的数据来约束耦合 $\sqrt{y'_{\nu}y_e}$。
• 评估来自恒星冷却和反应堆中微子实验的天体物理约束，以检验模型的可行性。

实验结果

研究问题

• RQ1 一个带有轻量级标量媒介子的 $U(1)_{B-L}$ 模型是否能在千电子伏量级直接探测实验中产生可观测的电子反冲事件？
• RQ2 XENON1T、PANDAX和XENONnT数据对有效耦合 $\sqrt{y'_{\nu}y_e}$ 的约束是什么？
• RQ3 通过轻量级标量媒介子介导的非标准相互作用 $\nu e \to \nu^c e$ 如何影响低能电子反冲谱？
• RQ4 该模型是否与来自恒星冷却和反应堆中微子实验的现有约束一致？
• RQ5 观测到的低能电子反冲事件过剩是否可由这种轻子数破坏型NSI机制解释？

主要发现

• XENONnT数据对有效耦合给出了迄今最严格的约束，得出 $\sqrt{y'_{\nu}y_e} < 0.5 \times 10^{-6}$。
• XENON1T数据偏好耦合范围为 $5.8 \times 10^{-7} < \sqrt{y'_{\nu}y_e} < 1.1 \times 10^{-6}$，与太阳中微子测量结果一致。
• PANDAX数据将 $\sqrt{y'_{\nu}y_e} < 1.4 \times 10^{-6}$ 作为约束，接近反应堆中微子实验的限制。
• NSI诱导的反冲谱在低能区域上升，增强了低-$E_k$ 能区的灵敏度，从而实现了严格约束。
• 该模型的 $y_e$ 耦合受到恒星冷却约束的严重限制，要求更复杂的媒介子结构才能保持可行性。
• 该模型通过轻子数破坏型NSI提供了一种千电子伏量级电子反冲的可行机制，其中轻量级标量媒介子介导 $\nu e \to \nu^c e$ 散射。