[论文解读] Neutrino oscillations and Non-Standard Interactions

Yasaman Farzan, M. Tórtola|arXiv (Cornell University)|Oct 25, 2017

Neutrino Physics Research参考文献 225被引用 22

一句话总结

本文综述了在非标准相互作用（NSI）存在下中微子振荡的现象，重点研究了质量小于约10 MeV的轻量$U(1)'$规范玻色子介导的中性流NSI。论文提出了满足电弱规范对称性的紫外完备模型，避免了现有实验约束，展示了NSI如何扭曲中微子参数的精确测量，并提出了打破确定CP相位、质量顺序和$\theta_{23}$象限的退化问题的方法。

ABSTRACT

Current neutrino experiments measure the neutrino mixing parameters with an unprecedented accuracy. The upcoming generation of experiments will be sensitive to subdominant effects that can give information on the unknown neutrino parameters: the Dirac CP-violating phase, the mass ordering and the $θ_{23}$ octant. Determining the exact values of neutrino mass and mixing parameters is crucial to test neutrino models and flavor symmetries. In the first part of this review, we summarize the current status of neutrino oscillation parameters. We consider the most recent data from solar experiments and the atmospheric data from Super-Kamiokande, IceCube and ANTARES. We implement the data from the reactor experiments KamLAND, Daya Bay, RENO and Double Chooz as well as the long baseline data from MINOS, T2K and NOvA. If in addition to the standard interactions, neutrinos have subdominant Non-Standard Interactions (NSI) with matter, extracting the values of these parameters will suffer from new degeneracies. We review such effects and formulate the conditions on the NSI parameters under which the precision measurement of neutrino oscillation parameters can be distorted. Like standard weak interactions, NSI can be categorized into Charged and Neutral Current NSI. Our focus will be on NC NSI since it is possible to build a class of models giving rise to sizeable NC NSI with effects on neutrino oscillations. These models are based on new $U(1)$ gauge symmetry with a boson of mass $\lesssim 10$ MeV. The UV complete model should be electroweak invariant which implies that along with neutrinos, charged fermions acquire new interactions on which there are strong bounds. We enumerate the bounds that exist on such models and show that it is possible to build viable models avoiding all the bounds. We review methods to test these models and suggest approaches to break the degeneracies caused by NSI.

研究动机与目标

• 评估非标准相互作用（NSI）对中微子混合参数精确测定的影响。
• 构建包含轻量$U(1)'$规范玻色子的可行紫外完备模型，产生显著的中性流NSI，同时保持电弱规范对称性。
• 识别此类NSI模型的实验约束和可检验信号，利用低能中微子散射和高能宇宙中微子能谱进行分析。
• 提出策略，以打破由NSI引起的中微子参数测定中的退化问题，特别是针对CP破坏相位、质量顺序和$\theta_{23}$象限。

提出的方法

• 将NSI分类为带电流（CC）和中性流（NC）类型，重点研究中性流NSI，因其可能产生显著效应。
• 构建$U(1)'$规范模型，其中$Z^\prime$玻色子质量$\lesssim 10$ MeV，为轻子和夸克分配$U(1)'$电荷，以保持电弱规范对称性并避免味改变约束。
• 实施两种情景：(i) $U(1)'$直接耦合至标准模型轻子和夸克（采用类似重子数的电荷分配），(ii) 通过与新狄拉克费米子$\Psi$或惰性中微子$N$的混合实现间接耦合。
• 利用有效费米四费米拉格朗日量描述低能中微子传播中的NSI效应，该描述在$q^2 \ll m_{Z'}^2$时有效，适用于反应堆和大气中微子实验。
• 分析来自高能实验（如NuTeV、CHARM）的约束，表明NSI效应在高$q^2$时被抑制，因此低能实验（如COHERENT和CONUS）更为敏感。
• 提出通过高能宇宙中微子能谱中的能量分布畸变来检验模型，特别是约300 TeV处的凹陷。

实验结果

研究问题

• RQ1 由轻量$Z^\prime$玻色子介导的非标准中性流相互作用如何影响中微子振荡参数的精确测量？
• RQ2 能否构建出可行的紫外完备$U(1)'$模型，避免现有电弱和味物理约束，同时产生可观测的NSI效应？
• RQ3 此类NSI模型的实验信号是什么？如何在低能和高能中微子实验中将其与标准模型区分开来？
• RQ4 NSI在多大程度上导致中微子参数测定中的退化问题，特别是CP破坏相位、中微子质量顺序和$\theta_{23}$象限？
• RQ5 COHERENT和CONUS实验能否通过相干中微子-核子散射探测所提出的NSI模型？

主要发现

• 一个可行的$U(1)'$模型，其中$a_e = 0$，$a_\mu = a_\tau = -3/2$，耦合强度为$4 \times 10^{-5}(m_{Z'}/10~{\rm MeV})$，能以$\epsilon_{\mu\mu} - \epsilon_{ee} = \epsilon_{\tau\tau} - \epsilon_{ee} = -0.3$重现最佳拟合的太阳中微子数据。
• 包含一个在$U(1)'$下带电的新狄拉克费米子$\Psi$并与其混合的模型，可在无树图级带电轻子耦合的情况下生成NSI，从而避免强约束。
• NSI的有效费米四费米描述在低能中微子散射（如COHERENT）中成立，其中$q^2 \ll m_{Z'}^2$，但在高$q^2$实验（如NuTeV）中失效。
• 高能宇宙中微子能谱可能因$Z^\prime$介导的共振散射而在约300 TeV处出现凹陷，提供可检验的信号。
• COHERENT和即将开展的CONUS实验非常适合通过数MeV能量下的相干中微子-核子散射探测所提出的NSI模型。
• 在中微子参数测定中——特别是CP相位、质量顺序和$\theta_{23}$象限——通过将NSI效应纳入中微子数据的全局拟合，可打破这些退化问题。