[论文解读] Telling Solar Neutrinos from Solar Axions When You Can't Shut Off the Sun

Pilar Coloma, Patrick Huber+1 more|arXiv (Cornell University)|Jun 28, 2020

Dark Matter and Cosmic Phenomena被引用 7

一句话总结

该论文提出在XENON1T探测器中使用3 MCi 51Cr电子捕获源，以区分太阳中微子（具有异常大的磁矩）与太阳轴子作为观测到的低能电子反冲过剩的起源。经过50天运行，该方法使信噪比提高9.8倍，并可在>95%置信水平下排除标准模型中微子磁矩，从而实现对两种主要新物理解释的明确区分。

ABSTRACT

The XENON1T experiment recently reported an excess of events at low electron recoil energies, which may be due to interactions of solar neutrinos inside the detector via a large neutrino magnetic moment. We point out that a $^{51}$Cr neutrino source placed close to the detector can directly test this hypothesis.

研究动机与目标

• 解决太阳轴子与具有大磁矩的太阳中微子作为XENON1T低能反冲过剩原因之间的模糊性。
• 检验观测到的过剩是否源于中微子磁矩相互作用或其它新物理。
• 利用现有的XENON1T基础设施和MCi量级的51Cr源，以最小的新实验投入实现高灵敏度。
• 超越地基对中微子磁矩的限制，并对XENON1T异常现象提供决定性检验。
• 通过基于源的校准方法，拓展对新物理的搜索，包括惰性中微子和轻Z'玻色子。

提出的方法

• 在XENON1T事例体积下方1米处部署3 MCi 51Cr源，用20 cm厚的钨球屏蔽以减少本底。
• 运行50天，使本底减少一半，同时保留与100天运行相比78%的信号。
• 使用44.8% / √E能量分辨率和2 keV以上90%的探测效率，建立预期能谱模型。
• 将观测到的事件计数与标准模型（μν = 0）及XENON1T 90%置信区间（1.4×10⁻¹¹至2.9×10⁻¹¹ μB）内的预测进行比较。
• 在28个能量能段上使用Δχ²分析评估与标准模型偏离的统计显著性。
• 根据XENON1T 226.9天数据集的背景水平进行缩放，并预测2–30 keV范围内51Cr中微子和太阳中微子的信号计数。

实验结果

研究问题

• RQ1 使用51Cr源实验能否明确区分具有大磁矩的太阳中微子与太阳轴子作为XENON1T低能过剩的来源？
• RQ2 在XENON1T中使用50天3 MCi 51Cr源运行，预期的信噪比提升幅度是多少？
• RQ3 该实验能否在>95%置信水平下排除标准模型中微子磁矩？
• RQ4 与现有地基对中微子磁矩的限制相比，该方法的预期灵敏度如何？
• RQ5 该方法在多大程度上可提升对中微子磁矩以外新物理的探测灵敏度？

主要发现

• 在标准模型下，50天运行中，预计在2–30 keV范围内将观测到82次ν-e弹性散射事件，其信号计数是XENON1T 226.9天数据集的2.2倍。
• 由于本底减少一半而信号保留78%，与XENON1T数据集相比，信噪比提高了9.8倍。
• 相对于标准模型（μν = 0）的Δχ²为：在XENON1T下限（1.4×10⁻¹¹ μB）处为5.0，在上限（2.9×10⁻¹¹ μB）处为66.5，表明在优选范围内可>95%置信水平排除。
• 该方法将超越2014年使用100天运行的研究，并优于目前最佳地基对中微子磁矩的限制。
• 若源运行中出现正向信号，将证实中微子磁矩假说或其它新物理解释；若为零结果，则可排除所有基于中微子的解释。
• 所提出的设置不仅可实现轴子与中微子的区分，还可拓展用于惰性中微子、非标准相互作用及轻Z'玻色子的广泛新物理搜索。