[论文解读] Neutrino Flavor Transformations from New Short-Range Forces

B. J. P. Jones, J. Spitz|arXiv (Cornell University)|Nov 14, 2019

Neutrino Physics Research参考文献 24被引用 5

一句话总结

该论文提出，中微子之间通过新轻玻色子介导的非普遍短程力，可在μ子静止衰变（DAR）源中诱导味改变相位，此类源同时产生中微子与反中微子。这些相位导致可观测的$\bar{\nu}_\mu$转变为类似$\bar{\nu}_e$的态，从而在不引入惰性中微子的前提下，为LSND异常提供合理解释；未来DAR实验如JSNS 2和OscSNS可对此效应进行高灵敏度检验。

ABSTRACT

We examine the commonly explored beyond-standard-model physics scenario of secret neutrino forces, and point out a model prediction that appears to have been overlooked: the generation of unique flavor-changing effects in experiments featuring decay-at-rest (DAR) neutrino sources. These flavor changes occur because the decay that drives neutrino and antineutrino production, $μ^{+} ightarrow e^+ +\barν_μ+ν_{e}$, is unique in producing two neutrinos in the final state. Any non-flavor-universal force between the emerging neutrinos would thus induce a new oscillation phase as they escape from each-other's potential wells, an effect which is largely absent in experiments that primarily rely on meson decay-in-flight and nuclear decay. We calculate the magnitude of the associated observable and compare it to the anomalous neutrino flavor transformation seen by the LSND experiment, finding a wide but constrained allowed parameter space. We also evaluate existing limits from other experiments, and the testability of this new effect at the future DAR programs JSNS$^2$ and OscSNS.

研究动机与目标

• 探索μ子静止衰变（DAR）中微子源中因中微子间非普遍短程力而被忽视的味改变效应。
• 通过提出一种避免惰性中微子假说但与其它振荡实验一致的机制，解决LSND异常。
• 评估该机制在即将开展的DAR实验（如JSNS 2和OscSNS）中的可检验性。
• 量化能够重现LSND信号同时避开现有实验约束的新中微子力的参数空间。
• 将该机制与其它标准模型之外的LSND异常解释（如惰性中微子）区分开来。

提出的方法

• 使用带有大质量媒介粒子的杨-米哈伊洛夫型相互作用，对$\bar{\nu}_\mu$衰变中产生的中微子与反中微子之间的有效势能进行建模。
• 通过非普遍耦合引起的能量差分量积分，计算中微子传播中因相互势能而产生的相位移。
• 使用标准中微子振荡相位公式$\theta_{ij} \triangleq \frac{\Delta m_{ij}^2 L}{2E}$，并扩展以包含由力引起的能量位移。
• 利用不完全伽马函数，对由于新力的有限作用范围而引起的相位移尺度进行建模。
• 对JSNS 2和OscSNS的信号与背景谱进行模拟，将本征$\bar{\nu}_e$污染视为干扰参数。
• 采用轮廓对数似然技术进行灵敏度分析，以评估对LSND异常区域的排除能力。

实验结果

研究问题

• RQ1 在μ子静止衰变源中，中微子之间的非普遍短程力是否能产生可观测的味转变，从而解释LSND异常？
• RQ2 中微子-反中微子相互势引起的味改变相位，在DAR源与飞行中衰变源中与标准振荡机制有何不同？
• RQ3 在重现LSND信号的同时避开其它实验约束的媒介粒子质量与耦合常数的允许参数空间为何？
• RQ4 未来DAR实验如JSNS 2和OscSNS在多大程度上可将该力介导机制与惰性中微子解释区分开来？
• RQ5 本征$\bar{\nu}_e$背景如何影响未来实验中该新味转变效应的可探测性？

主要发现

• 在μ子静止衰变源中产生的中微子之间，非普遍短程力可诱导味改变相位，使$\bar{\nu}_\mu$转变为类似$\bar{\nu}_e$的态，为LSND异常提供了新解释。
• 该效应仅在DAR源中显著，因其发射的$\nu_e$与$\bar{\nu}_\mu$对空间距离极近，而在π介子飞行衰变或核衰变源中则不存在此条件。
• 当媒介粒子质量介于奇异夸克与$W$玻色子质量之间，且耦合常数约为0.1时，存在一个宽但受约束的参数空间，可重现LSND信号，其振荡概率约为$\sim 0.26\%$。
• 在相关参数空间内，来自$\mu^+ \to e^+ \nu_e \bar{\nu}_\mu$、β衰变及$D$介子衰变的现有限制，弱于隐形$Z$玻色子宽度的约束。
• JSNS 2与OscSNS在广泛耦合常数与媒介粒子质量范围内，均可在超过90%置信水平下排除该机制的LSND允许参数空间。
• 经转变的信号谱与本征$\bar{\nu}_e$背景可通过能量依赖性差异加以区分，从而在合理建模下实现清晰的信号提取。