[论文解读] Testing NSI suggested by the solar neutrino tension in T2HKK and DUNE

Monojit Ghosh, Osamu Yasuda|arXiv (Cornell University)|Sep 24, 2017

Particle physics theoretical and experimental studies被引用 4

一句话总结

本文研究了为解决太阳中微子-KamLAND 质量平方差张力而提出的非标准相互作用（NSI）是否可被未来的长基线实验 T2HKK 和 DUNE 检测。结果表明，若自然界中不存在 NSI，这两项实验均可在超过 10σ（对于 f=u,d）或 3σ（对于大部分参数空间）的显著性水平下排除由太阳中微子和 KamLAND 数据得出的 NSI 最优拟合点，其中 DUNE 的灵敏度略优于 T2HKK。

ABSTRACT

It was shown that the tension between the mass-squared differences obtained from solar neutrinos and those acquired through KamLAND experiments may be solved by the introduction of a non-standard flavor-dependent interaction (NSI) in neutrino propagation. In this study, we discuss the possibility of testing such a hypothesis using the future long-baseline neutrino experiments T2HKK and DUNE. Assuming that the NSI does not exist, we provide the excluded region within the ($ε_D$, $ε_N$) plane, where $ε_D$ and $ε_N$ are the parameters appearing in the solar neutrino analysis conducted with the NSI. We find that the best-fit value from the solar neutrino and KamLAND data (global analysis of a particular coupling to quarks) can be tested at more than 10$σ$ (3$σ$) by these two experiments for most of the parameter space.

研究动机与目标

• 评估未来长基线中微子实验 T2HKK 和 DUNE 对于能够缓解太阳中微子-KamLAND 质量平方差张力的非标准相互作用（NSI）的敏感性。
• 评估由全球太阳中微子和 KamLAND 数据所建议的 NSI 参数是否可被这些即将开展的实验排除。
• 在不同中微子质量顺序和 CP 相位下，比较 T2HKK 和 DUNE 在 (εD, εN) 参数空间中的表现。
• 确定灵敏度对真实 δCP 和 θ23 值的依赖关系，并识别灵敏度最大或最小的参数区域。

提出的方法

• 本研究通过太阳中微子和 KamLAND 数据的全局拟合分析，提取了与上夸克和下夸克（f=u,d）的味守恒耦合相关的 NSI 参数 (εD, εN)。
• 通过在 NSI 拉格朗日量（式 (1)）的等效哈密顿量基础上修改振荡概率，模拟了 T2HKK 和 DUNE 的预期性能。
• 通过在 (εD, εN) 平面中的 χ² 分析评估灵敏度，假设自然界中不存在 NSI，以确定被排除的区域。
• 分析考虑了不同的束流比例（T2HKK 为 1:3，DUNE 为 1:1）、束流类型（窄带与宽带），以及中微子质量顺序和 δCP 对灵敏度的影响。
• 本研究比较了在不同真实 δCP 和 θ23 值下，T2HKK 和 DUNE 的排除能力，识别出灵敏度的峰值与谷值。
• 评估了结果在不同 NSI 耦合类型下的鲁棒性，重点关注 f=u 和 f=d 的情况，并考虑当 η ≈ -43.6° 时的含义。

实验结果

研究问题

• RQ1 若自然界中不存在 NSI，T2HKK 和 DUNE 是否能够排除由太阳中微子和 KamLAND 数据得出的 NSI 最优拟合点 (εD, εN) = (-0.14, -0.03)？
• RQ2 T2HKK 和 DUNE 对 NSI 的灵敏度如何依赖于真实 δCP 和 θ23 的取值？
• RQ3 T2HKK 和 DUNE 对 εN 的灵敏度是否强于对 εD 的灵敏度？与现有实验相比如何？
• RQ4 中微子质量顺序（NH 与 IH）对 DUNE 和 T2HKK 探测 NSI 的灵敏度有何影响？
• RQ5 在何种条件下，T2HKK 和 DUNE 对 NSI 的灵敏度会消失，特别是当 η ≈ -43.6° 时？

主要发现

• 若自然界中不存在 NSI，对于 f=u 和 f=d 的情况，T2HKK 和 DUNE 均可在超过 10σ 的显著性水平下排除由太阳和 KamLAND 数据得出的 NSI 最优拟合点 (εD, εN) = (-0.14, -0.03)。
• 在大部分参数空间中，两个实验均可在 3σ 水平上排除最优拟合点，其中 DUNE 的灵敏度略优于 T2HKK。
• 两个实验的灵敏度在 δCP = 0° 时最高，在 δCP = 180° 时最低；T2HKK 在 δCP = 90° 和 270° 时表现出对称的灵敏度，而 DUNE 则无此对称性。
• 与正常质量顺序（NH）相比，反常质量顺序（IH）略微提升了 DUNE 的灵敏度，甚至在 δCP = 180° 的情况下，也能在 3σ 水平上实现排除。
• 当真实 NSI 参数 η 接近 -43.6° 时，两个实验对 NSI 的灵敏度均会下降，但它们对 |η - η₀| 的约束仍强于现有实验。
• T2HKK 和 DUNE 对 εN 的灵敏度高于对 εD 的灵敏度，且其对 NSI 的探测灵敏度与或优于 HK 大气中微子实验。