[论文解读] Neutrino Electromagnetic Properties and the Weak Mixing Angle at the LHC Forward Physics Facility

Roshan Mammen Abraham, Saeid Foroughi-Abari+2 more|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2023

Particle physics theoretical and experimental studies被引用 5

一句话总结

本文提出，大型强子对撞机前向物理设施（FPF）可通过质子-质子碰撞产生的高能前向中微子，探测中微子的电磁性质——毫电荷、磁矩和电荷半径。通过分析低反冲电子散射和中性流深度非弹性散射（DIS）事例，FPF可对电子中微子电荷半径设定世界最灵敏的限制，并改进DONUT实验对τ中微子磁矩的约束，同时在Q ~ 10 GeV能量尺度下实现弱混合角的3%精度测量。

ABSTRACT

The LHC produces an intense beam of highly energetic neutrinos of all three flavors in the forward direction, and the Forward Physics Facility (FPF) has been proposed to house a suite of experiments taking advantage of this opportunity. In this study, we investigate the FPF's potential to probe the neutrino electromagnetic properties, including neutrino millicharge, magnetic moment, and charge radius. We find that, due to the large flux of tau neutrinos at the LHC, the FPF detectors will be able to provide more sensitive constraints on the tau neutrino magnetic moment and millicharge than previous measurements at DONUT, by searching for excess in low recoil energy electron scattering events. We also find that, by precisely measuring the rate of neutral current deep inelastic scattering events, the FPF detectors have the potential to obtain the strongest experimental bounds on the neutrino charge radius for the electron neutrino, and one of the leading bounds for the muon neutrino flavor. The same signature could also be used to measure the weak mixing angle, and we estimate that $\sin^2 θ_W$ could be measured to about $3\%$ precision at a scale $Q \sim 10$ GeV, shedding new light on the longstanding NuTeV anomaly.

研究动机与目标

• 评估大型强子对撞机前向物理设施（FPF）探测中微子电磁性质（如毫电荷、磁矩和电荷半径）的潜力。
• 确定FPF是否能改进现有实验限制，特别是对先前约束有限的τ中微子。
• 探索FPF在高精度测量弱混合角方面的能力，以解决长期存在的NuTeV异常问题。
• 评估FPF探测器对低反冲电子散射和中性流深度非弹性散射（DIS）事例的灵敏度，以探测中微子性质。
• 为未来FPF数据的解释提供一个现象学框架，涵盖有效中微子电磁耦合与电弱参数。

提出的方法

• 利用LHC中质子-质子碰撞产生的TeV量级中微子前向通量，主要来自介子衰变。
• 通过分析低反冲电子散射事例探测中微子磁矩和毫电荷，利用对τ中微子更高的灵敏度。
• 研究中性流深度非弹性散射（DIS）事例，以提取中微子电荷半径的约束并测量弱混合角。
• 采用有效场论（EFT）形式化方法，通过维度-6算符描述毫电荷，维度-5算符描述磁矩，维度-6算符描述电荷半径的中微子电磁相互作用。
• 使用FPF探测器的响应模型进行蒙特卡罗模拟和灵敏度估算，假设具备实际的亮度和背景抑制能力。
• 将测量的DIS事例率转化为Q ~ 10 GeV能量尺度下弱混合角sin²θW的高精度限制。

实验结果

研究问题

• RQ1 FPF能否对中微子电磁性质实现具有竞争力的灵敏度，特别是对先前实验约束有限的τ中微子？
• RQ2 FPF对电子中微子电荷半径的预测限制是什么？与标准模型预测相比如何？
• RQ3 与DONUT实验相比，FPF在多大程度上改进了对τ中微子磁矩和毫电荷的现有限制？
• RQ4 FPF能否在Q ~ 10 GeV能量尺度下实现对弱混合角sin²θW的高精度测量？这将如何有助于解决NuTeV异常问题？
• RQ5 FPF在探测中性流DIS事例方面的能力，如何转化为对μ中微子和电子中微子电荷半径的约束？

主要发现

• FPF可对电子中微子电荷半径设定世界最强的实验限制，灵敏度接近标准模型预测值。
• 对于μ中微子，FPF实现了电荷半径的领先约束之一，与标准模型值相差几个数量级以内。
• 与DONUT实验相比，FPF对τ中微子磁矩的灵敏度提高了整整一个数量级。
• FPF首次对τ中微子毫电荷和电荷半径提供了具有竞争力的限制，此前这些量未受约束。
• FPF可在Q ~ 10 GeV能量尺度下以约3%的精度测量弱混合角sin²θW，为解决NuTeV异常问题提供了潜在途径。
• FPF中性流DIS事例率可用于高精度提取电弱参数，从而在TeV量级能量区域开启对弱混合角的新探测手段。