[论文解读] Nonstandard Neutrino Interactions can explain the XENON1T spectral excess

Amir N. Khan|arXiv (Cornell University)|Jun 23, 2020

Neutrino Physics Research被引用 6

一句话总结

该论文提出，非标准中微子相互作用——特别是中微子磁矩、电荷半径、毫电荷以及轻量级矢量/标量媒介子——可解释XENON1T实验中观测到的电子反冲能谱过量。研究发现，在实验约束条件下，磁矩为(2–4)×10⁻¹¹ μB、毫电荷为(1.7–2.3)×10⁻¹²e，以及质量在10–100 keV之间、耦合常数约为5×10⁻⁷的矢量媒介子最符合数据。

ABSTRACT

We perform a constrained spectral fit analysis of the excess observed in the recoiled electron energy spectrum by XENON1T with neutrino magnetic moment, charge radius, neutrino millicharge and new light vector and scalar mediators. Within limits allowed by other laboratory experiments we find that the excess can be explained in the range$ (2-4) imes 10^{-11}\mu _{B} for the magnetic moment,$ (2-6) imes 10^{-31}$cm$^{2}$ for the charge radius, $ (1.7-2.3) imes 10^{-12}e$ for the millicharge and $(10-100) $keV masses of light mediators with couplings of 5 imes 10^{-7}$ for vector/axial-vector, $1.2 imes 10^{-6}$ and $4 imes 10^{-6}$ for scalar and pseudo-scalar mediators, respectively. Among all, neutrino millicharge, magnetic moment and vector mediators fit better to the observed spectrum. We also derive constraints on all new physics parameters considered here.

研究动机与目标

• 探究非标准中微子相互作用是否可解释XENON1T实验中观测到的未解译电子反冲能谱过量。
• 约束中微子磁矩、电荷半径、毫电荷以及轻量级矢量和标量媒介子耦合常数等新物理参数。
• 确定在现有实验室限制下，哪些新物理模型最能复现观测到的能量谱。
• 基于XENON1T数据，推导出所有所考虑新物理参数的稳健约束。

提出的方法

• 对XENON1T电子反冲能谱进行受限谱拟合，采用非标准中微子相互作用的理论模型。
• 整合其他实验室实验的实验限制，以限制中微子磁矩、电荷半径和毫电荷的可行参数空间。
• 评估质量在10–100 keV范围内、耦合常数可变的矢量、轴矢量、标量和伪标量媒介子的拟合优度。
• 使用似然分析方法，将模型预测与XENON1T实际观测谱进行比较，并推导最佳拟合参数。
• 应用贝叶斯推断技术，量化不确定性并推导新物理耦合常数的上限。
• 比较不同相互作用类型（如毫电荷与磁矩）的拟合质量，以识别最佳拟合模型。

实验结果

研究问题

• RQ1 非标准中微子相互作用（如磁矩或毫电荷）是否可解释XENON1T在1–7 keV反冲能量范围内的能谱过量？
• RQ2 在中微子磁矩、电荷半径、毫电荷和轻量媒介子中，哪种新物理模型对XENON1T观测谱的拟合效果最佳？
• RQ3 与XENON1T过量和其它实验室约束一致的耦合常数和媒介子质量的允许范围是什么？
• RQ4 中微子磁矩、电荷半径和毫电荷的约束与现有实验限制相比如何？
• RQ5 不同新物理模型的预测信号形状是什么？它们与观测到的谱形匹配程度如何？

主要发现

• 中微子磁矩在(2–4)×10⁻¹¹ μB范围内可良好拟合XENON1T能谱过量。
• 中微子电荷半径为(2–6)×10⁻³¹ cm²时，也在实验允许范围内与观测谱一致。
• 毫电荷为(1.7–2.3)×10⁻¹²e的模型是可行的解释，与数据高度兼容。
• 质量在10–100 keV之间、耦合常数约为5×10⁻⁷的轻量级矢量/轴矢量媒介子最能复现谱形。
• 标量和伪标量媒介子的耦合常数分别为1.2×10⁻⁶和4×10⁻⁶时，也能拟合数据，但效果不如矢量媒介子。
• 在所有模型中，中微子毫电荷、磁矩和矢量媒介子与XENON1T谱的符合度最佳。