[论文解读] Nuclear and Particle Conspiracy Solves Both Reactor Antineutrino Anomalies

Jeffrey M. Berryman, Vedran Brdar+1 more|arXiv (Cornell University)|Mar 22, 2018

Neutrino Physics Research被引用 3

一句话总结

该论文提出了一种带有阿贝尔规范对称性的惰性中微子模型，该模型在闪烁体探测器中诱导与碳-13的非标准相互作用，产生4.4 MeV光子和由中子引起的质子反冲，其信号可模拟5 MeV反中微子事例。该机制同时解释了反应堆反中微子异常和5 MeV事例过剩。

ABSTRACT

We address the 5 MeV event excess in the measured antineutrino spectrum from nuclear reactors in a beyond the Standard model framework, a challenge which has not been met to date. We employ nonstandard neutrino interactions with baryons that can induce the reaction $^{13}$C$(\overline{ u}, \overline{ u}^\prime n)^{12}$C$^*$ in organic scintillator detectors. The de-excitation of $^{12}$C$^*$ yields a prompt $4.4$ MeV photon, while the thermalization of the product neutron causes proton recoils, which in turn yield an additional prompt energy contribution with finite width such that this process can mimic neutrinos at around 5 MeV energy. We find that the minimal viable model that could induce this reaction involves a sterile neutrino charged under an Abelian symmetry group. Such sterile neutrinos can simultaneously explain the discrepancy between the measured and predicted antineutrino fluxes at short-baseline reactor experiments.

研究动机与目标

• 解决反应堆反中微子异常和反应堆实验中观测到的5 MeV事例过剩这一长期存在的问题。
• 识别一种新物理机制，能够在单一理论框架内解释这两个异常。
• 提出一个涉及在阿贝尔对称性下带电的惰性中微子的最小可行模型，以介导中微子与核子之间的非标准相互作用。
• 证明来自$^{13}$C$(\overline{u}, \overline{u}'n)^{12}$C$^*$退激的信号可模拟有机闪烁体中的5 MeV反中微子事例。
• 表明该机制可同时解释短基线反应堆实验中预测与测量的反中微子通量之间的差异。

提出的方法

• 引入一种在阿贝尔规范对称性下带电的惰性中微子，以介导闪烁体探测器中中微子与核子之间的非标准相互作用。
• 建立反应$^{13}$C$(\overline{u}, \overline{u}'n)^{12}$C$^*$的模型，其中激发的$^{12}$C$^*$态通过发射4.4 MeV伽马射线衰变。
• 考虑中子热化效应，其产生质子反冲，贡献具有有限宽度的瞬时能量沉积。
• 计算所得信号的有效截面和能量谱，以与实验数据进行比较。
• 评估该模型与现有短基线反应堆反中微子通量测量结果的兼容性。
• 确定能够同时解释两个异常的惰性中微子模型的最小参数空间。

实验结果

研究问题

• RQ1 一个单一的新物理机制是否能够同时解释5 MeV事例过剩和反应堆反中微子通量异常？
• RQ2 何种类型的惰性中微子相互作用可在有机闪烁体中产生可探测的、类似于5 MeV反中微子的信号？
• RQ3 中微子与$^{13}$C的非标准相互作用如何导致具有有限宽度的瞬时能量沉积，从而类似于反中微子事例？
• RQ4 何种包含阿贝尔对称性的最小可行模型能够同时解释这两个异常？
• RQ5 该机制在多大程度上能够调和短基线反应堆实验中预测与测量的反中微子通量之间的差异？

主要发现

• 反应$^{13}$C$(\overline{u}, \overline{u}'n)^{12}$C$^*$产生4.4 MeV伽马衰变和中子诱导的质子反冲，形成具有有限宽度的瞬时信号。
• 伽马射线与质子反冲的联合能量沉积可模拟在约5 MeV处峰化的反中微子事例。
• 在阿贝尔规范群下带电的惰性中微子提供了介导该过程的最小可行模型。
• 该模型同时解释了5 MeV事例过剩和短基线反应堆中测量与预测反中微子通量之间的差异。
• 非标准相互作用机制与当前反中微子能谱和通量的实验约束一致。
• 所提出的机制为反应堆中微子物理中两个长期存在的异常提供了一体化解释。