[论文解读] Testing heavy neutral leptons produced in the supernovae explosions with future neutrino detectors

Vsevolod Syvolap|arXiv (Cornell University)|Jan 17, 2023

Neutrino Physics Research被引用 4

一句话总结

本文提出利用未来中微子探测器（如Hyper-Kamiokande）探测超新星核心产生的重中性轻子（HNL）衰变所生成的次级高能中微子。研究表明，Hyper-K可探测质量在160–700 MeV之间、寿命大于0.02秒的HNL，填补了当前宇宙大爆炸核合成约束与未来SHiP实验灵敏度之间的关键空白。

ABSTRACT

Hypothetical particles called heavy neutral leptons (HNLs) can be produced in large quantities in the cores of supernovae during the first seconds of the explosion. These particles then decay, producing secondary energetic neutrinos that can be detected by neutrino detectors. In this paper, I identify a region of the HNL parameter space that could be tested using this method, assuming a supernova explosion at distances from 0.2 to 10 kpc. The range of HNLs masses $m_N \sim 160-700$ MeV and lifetimes of $τ_N \gtrsim 0.02$ seconds can be probed using the Hyper-Kamiokande neutrino detector. This region of the parameter space is complementary to existing bounds from primordial nucleosynthesis and to the expected sensitivity of the future SHiP experiment, thus covering a gap in our current knowledge of HNLs up to masses of $m_N \simeq 400$ MeV.

研究动机与目标

• 利用超新星产生的HNL衰变所生成的次级中微子，探测此前未被检验的重中性轻子（HNL）参数空间区域。
• 证明未来中微子探测器（如Hyper-Kamiokande）可探测当前能量损失约束或即将开展的SHiP实验无法触及的HNL质量和寿命。
• 通过系统分析不同味混合与探测器配置下的HNL产生、衰变与探测过程，拓展先前的研究工作。
• 量化Hyper-Kamiokande对距离0.2至10 kpc范围内超新星中产生的HNL的探测灵敏度，尤其关注tau味HNL。
• 评估该方法与现有大爆炸核合成约束以及未来SHiP实验灵敏度的互补性，特别是在160–450 MeV质量范围内的表现。

提出的方法

• 采用基于快照的超新星模型，模拟核心中HNL的产生，假设处于热平衡状态，并基于已知的中微子和轻子密度。
• 通过涉及tau、μ子和电子中微子的弱相互作用计算HNL的产生截面，利用归一化至费米耦合常数和混合参数的矩阵元。
• 通过二体和三体过程建模HNL衰变为次级中微子，包含运动学约束及依赖于HNL质量与寿命的分支比。
• 结合中微子振荡与MSW效应，计算地球处次级中微子的最终味组成，重点关注反电子中微子。
• 应用探测器响应函数，估算在10 kpc距离超新星条件下Hyper-Kamiokande与Super-Kamiokande中的可探测事例率。
• 比较不同HNL混合情景（tau、μ子、电子味）下的探测灵敏度，特别关注主导的tau味通道。

实验结果

研究问题

• RQ1 未来中微子望远镜（如Hyper-Kamiokande）能否探测到超新星中衰变重中性轻子产生的次级中微子？
• RQ2 该方法可探测的HNL质量与寿命范围是什么，特别是在近距离超新星（0.2–10 kpc）背景下？
• RQ3 该探测方法如何与现有的大爆炸核合成约束以及未来SHiP实验的灵敏度形成互补？
• RQ4 不同HNL味混合（tau、μ子、电子）对可探测的次级中微子通量与事例率有何影响？
• RQ5 探测器尺寸与灵敏度如何影响探测此类次级中微子信号的可行性？

主要发现

• 只要HNL寿命超过约0.02秒，Hyper-Kamiokande即可探测质量在160 MeV至700 MeV之间的HNL衰变产生的次级中微子。
• 对于距离10 kpc的超新星，当HNL质量在160–450 MeV范围内且混合参数与模型一致时，Hyper-Kamiokande可探测到超过100起事例。
• 该方法填补了当前大爆炸核合成约束与SHiP实验预期灵敏度之间HNL参数空间的关键空白，尤其针对质量高达400 MeV的HNL。
• 由于尺寸较小，Super-Kamiokande的灵敏度显著降低，需将混合角增大约10倍才能达到与Hyper-Kamiokande相当的探测阈值。
• 对于近距离超新星（如参宿四，200 pc），事例率可增加数个数量级，甚至可能使现有探测器也能实现探测。
• 与tau味混合的HNL相比，与μ子味混合的HNL产生的次级中微子通量相似，但因存在更多衰变道而具有更快的衰变速率，然而可探测的参数空间仍基本相当。