[论文解读] Probing light vector mediators with coherent scattering at future facilities

Enrico Bertuzzo, Giovanni Grilli di Cortona+1 more|arXiv (Cornell University)|Dec 7, 2021

Astrophysics and Cosmic Phenomena被引用 1

一句话总结

本文評估了兩項未來實驗——νBDX-DRIFT 和歐洲散裂中子源（ESS）擬議探測器——透過彈性中微子-核子散射（CEνNS）對輕型 Z′ 矢量玻色子的敏感度。結果顯示，基於 ESS 的探測器可探測先前未被探索的 mZ′–gZ′ 參數空間區域，包括可解釋μ子反常磁矩、Xenon1T 電子過剩現象，以及 IceCube 宇宙中微子能譜中異常特徵的參數區域。

ABSTRACT

Future experiments dedicated to the detection of Coherent Elastic Neutrino-Nucleus Scattering may be powerful tools in probing light new physics. In this paper we study the sensitivity on light $Z'$ mediators of two proposed experiments: a directional low pressure Time Projection Chamber detector, $ u$BDX-DRIFT, that will utilize neutrinos produced at the Long Baseline Neutrino Facility, and several possible experiments to be installed at the European Spallation Source. We compare the results obtained with existing limits from fixed-target, accelerator, solar neutrino and reactor experiments. Furthermore, we show that these experiments have the potential to test unexplored regions that, in some case, could explain the anomalous magnetic moment of the muon or peculiar spectral features in the cosmic neutrino spectrum observed by IceCube.

研究动机与目标

• 評估未來 CEνNS 實驗探測標準模型之外輕型 Z′ 矢量玻色子的潛力。
• 評估未來設施是否能接觸當前實驗尚未測試的參數區域，特別是與 μ 子反常磁矩相關的區域。
• 調查這些實驗是否能探測解釋 Xenon1T 低能電子過剩現象的模型，以及 IceCube 宇宙中微子能譜中異常特徵的模型。
• 比較 νBDX-DRIFT 與基於 ESS 的探測器在三種 Z′ 模型（通用型、B−L、Lμ−Lτ）下的敏感度。
• 識別尚未被探索的參數空間區域，並探討未來 CEνNS 實驗可能探測的區域。

提出的方法

• 透過有效拉格朗日量建模輕型 Z′ 相互作用，其與標準模型費米子耦合，專注於 CEνNS 過程。
• 使用形式因子形式化方法計算 CEνNS 的微分截面，並利用與 A² 成比例的相干增強效應。
• 將 Z′ 耦合結構應用於三種基準模型：通用型 Z′、B−L 和 Lμ−Lτ，其費米子電荷分配各異。
• 模擬 νBDX-DRIFT（使用 CS2 氣體，壓力為 60 和 411 托）與 ESS 探測器（目標材料包括 Xe、CsI、Ge、Si、Ar、C3F8）的探測器響應。
• 在 mZ′–gZ′ 平面中投影 90% 置信水平的敏感度，並與 BaBar、ATLAS、CMS、CCFR、Borexino 和 Xenon1T 的現有限制進行比較。
• 納入 (g−2)μ、ΔNeff > 0.5 及 IceCube 能譜特徵的約束，以識別可行的參數區域。

实验结果

研究问题

• RQ1 未來 CEνNS 實驗是否能探測當前實驗尚未排除的 mZ′–gZ′ 參數空間新區域？
• RQ2 νBDX-DRIFT 與基於 ESS 的探測器在多大程度上能測試解釋 μ 子反常磁矩的模型？
• RQ3 這些實驗是否能探測解釋 Xenon1T 實驗中觀測到的低能電子過剩現象的參數空間？
• RQ4 所提出的探測器是否對解釋 IceCube 宇宙中微子能譜中異常特徵的模型具有敏感度？
• RQ5 探測器材料與 νBDX-DRIFT 中的氣體壓力（60–411 托）如何影響對輕型 Z′ 媒介子的敏感度？

主要发现

• 基於 ESS 的探測器敏感度遠高於 νBDX-DRIFT，可探測 Lμ−Lτ 模型中先前未被探索的廣泛參數空間區域。
• 對於 Lμ−Lτ 模型，使用 Xe 和 CsI 作為目標的 ESS 探測器可探測 mZ′/MeV ≲ 60 的區域，該區域在 2σ 水準下與解釋 μ 子反常磁矩相關。
• ESS 探測器可測試解釋 (g−2)μ 異常與 Xenon1T 電子過剩的擴展 Lμ−Lτ 模型的參數空間。
• ESS 探測器對特定模型 [74] 敏感，該模型可解釋 IceCube 宇宙中微子能譜中觀測到的異常譜特徵。
• νBDX-DRIFT 敏感度有限，但可透過調節氣體壓力（60–411 托 CS2）來探測參數空間中的盲區。
• Lμ−Lτ 模型特別易被 ESS 探測，其中 Xe 和 CsI 探測器的敏感度足以在 mZ′ < 30 MeV 時排除 (g−2)μ 的完整解。