[论文解读] Nuclear Structure Physics in Coherent Elastic Neutrino-Nucleus Scattering

N. Van Dessel, V. Pandey+2 more|arXiv (Cornell University)|Jul 7, 2020

Dark Matter and Cosmic Phenomena被引用 10

一句话总结

本论文利用SkE2 Skyrme 核子-核子相互作用，通过微观哈特ree-fock计算，对$^{12}$C、$^{16}$O、$^{40}$Ar、$^{56}$Fe 和 $^{208}$Pb 的电荷和弱核形式因子进行了研究，以提高相干弹性中微子-核子散射（CE$ü$NS）截面的理论精度。该研究将预测结果与电子散射实验数据进行验证，并针对 $^{40}$Ar 提供了详细的理论估计，突出了形式因子模型中的不确定性及其对新物理搜索的影响。

ABSTRACT

The prospects of extracting new physics signals in a coherent elastic neutrino-nucleus scattering (CE$ u$NS) process are limited by the precision with which the underlying nuclear structure physics, embedded in the weak nuclear form factor, is known. We present microscopic nuclear structure physics calculations of charge and weak nuclear form factors and CE$ u$NS cross sections on $^{12}$C, $^{16}$O, $^{40}$Ar, $^{56}$Fe and $^{208}$Pb nuclei. We obtain the proton and neutron densities, and charge and weak form factors by solving Hartree-Fock equations with a Skyrme (SkE2) nuclear potential. We validate our approach by comparing $^{208}$Pb and $^{40}$Ar charge form factor predictions with elastic electron scattering data. In view of the worldwide interest in liquid-argon based neutrino and dark matter experiments, we pay special attention to the $^{40}$Ar nucleus and make predictions for the $^{40}$Ar weak form factor and the CE$ u$NS cross sections. Furthermore, we attempt to gauge the level of theoretical uncertainty pertaining to the description of the $^{40}$Ar form factor and CE$ u$NS cross sections by comparing relative differences between recent microscopic nuclear theory and widely-used phenomenological form factor predictions. Future precision measurements of CE$ u$NS will potentially help in constraining these nuclear structure details that will in turn improve prospects of extracting new physics.

研究动机与目标

• 提高对相干弹性中微子-核子散射（CE$ü$NS）实验至关重要的弱核形式因子理论精度。
• 解决由于 CE$ü$NS 截面中核结构输入的不确定性，导致难以提取新物理信号的局限性。
• 利用从头算核结构方法，为液氩中微子与暗物质探测器中的关键靶标 $^{40}$Ar 提供精确预测。
• 通过将微观哈特ree-fock结果与广泛使用的经验形式因子模型进行比较，量化理论不确定性。
• 通过将计算得到的电荷形式因子与 $^{208}$Pb 和 $^{40}$Ar 的现有弹性电子散射数据进行对比，验证方法的有效性。

提出的方法

• 使用 SkE2 Skyrme 有效核子-核子相互作用求解哈特ree-fock方程，以确定质子和中子密度分布。
• 利用标准傅里叶变换技术，从所得密度分布计算电荷和弱核形式因子。
• 将电荷形式因子预测结果与 $^{208}$Pb 和 $^{40}$Ar 的弹性电子散射实验数据进行对比验证。
• 利用推导出的弱形式因子和核密度计算 CE$ü$NS 截面。
• 通过比较微观哈特ree-fock预测与经验形式因子参数化模型，开展对比分析，以评估理论不确定性。
• 聚焦于 $^{40}$Ar，因其在基于液氩实验的中微子与暗物质探测中具有重要意义。

实验结果

研究问题

• RQ1 使用 SkE2 相互作用的微观哈特ree-fock计算，能否准确描述 $^{12}$C、$^{16}$O、$^{40}$Ar、$^{56}$Fe 和 $^{208}$Pb 的电荷和弱形式因子？
• RQ2 对 $^{208}$Pb 和 $^{40}$Ar 的预测电荷形式因子与现有弹性电子散射数据的符合程度如何？
• RQ3 在将微观模型与经验参数化模型进行比较时，$^{40}$Ar 弱形式因子和 CE$ü$NS 截面的理论不确定性有多大？
• RQ4 这些结果对未来的 CE$ü$NS 实验探测标准模型之外新物理的灵敏度有何影响？
• RQ5 为减少 CE$ü$NS 截面预测中的不确定性，核结构建模方面需要哪些改进？

主要发现

• 使用 SkE2 相互作用的哈特ree-fock计算在与现有弹性电子散射数据对比时，对 $^{208}$Pb 和 $^{40}$Ar 的电荷形式因子具有良好的符合度。
• 本研究为 $^{40}$Ar 的弱形式因子和 CE$ü$NS 截面提供了新的、基于理论的预测，而 $^{40}$Ar 是液氩实验中的关键靶标。
• 在微观哈特ree-fock预测与广泛使用的经验形式因子参数化之间观察到显著差异，表明 $^{40}$Ar 形式因子建模中存在不可忽视的理论不确定性。
• 不同理论模型之间的相对差异表明，核结构不确定性仍是高精度 CE$ü$NS 测量中的关键限制因素。
• 未来的高精度 CE$ü$NS 实验有望约束核结构细节，特别是 $^{40}$Ar 的结构，从而提高对新物理的探测灵敏度。
• 结果强调了推进微观核结构计算的重要性，以减少中微子与暗物质探测实验中的系统性不确定性。