[论文解读] Unambiguously Resolving the Potential Neutrino Magnetic Moment Signal at Large Liquid Scintillator Detectors

Ziping Ye, Feiyang Zhang+2 more|arXiv (Cornell University)|Mar 22, 2021

Neutrino Physics Research参考文献 56被引用 7

一句话总结

该论文提出，大型液态闪烁体探测器（如JUNO和LENA）可通过探测40 keV以上的中微子磁矩（νMM）信号，明确分辨XENON1T低能电子反冲过剩现象，其中氚和太阳轴子背景可忽略不计。在约100 kton·year的曝光量下，这些探测器可实现µν < 10−11µB的灵敏度，从而对νMM假说进行明确检验。

ABSTRACT

Non-vanishing electromagnetic properties of the neutrinos have been predicted by many theories beyond the Standard Model, and an enhanced neutrino magnetic moment can have profound implications for fundamental physics. The XENON1T experiment recently detected an excess of electron recoil events in the 1-7 keV energy range, which can be compatible with solar neutrino magnetic moment interaction at a most probable value of $\mu_{ u} = 2.1 imes 10^{-11} \mu_{ ext{B}}$. However, tritium backgrounds and solar axion interaction in this energy window are equally plausible causes. Upcoming multi-tonne noble liquid detectors will test these scenarios more in depth, but will continue to face similar ambiguity. We report a unique capability of future large liquid scintillator detectors to help resolve the potential neutrino magnetic moment scenario. With a liquid scintillator exposure of $O$(100) kton$\cdot$year, a sensitivity of $\mu_{ u} < 10^{-11} \mu_{ ext{B}}$ can be reached at an energy threshold greater than 40 keV, where no tritium or solar axion events but only neutrino magnetic moment signal is still present.

研究动机与目标

• 为解决XENON1T 1–7 keV电子反冲过剩现象的模糊性，该现象可能源于中微子磁矩、氚β衰变或太阳轴子。
• 证明大型液态闪烁体探测器可通过其在40 keV以上区域的显著能量依赖性，唯一识别νMM信号。
• 提供一种与模型无关的、直接的实验室测试方法，以验证νMM假说，且不受天体物理模型依赖的影响。
• 实现液态闪烁体与液态氙探测器之间的交叉验证，以区分低能过剩现象的多种竞争解释。

提出的方法

• 对液态闪烁体中的中微子-电子弹性散射（νeES）截面进行建模，包括标准模型（SM）和νMM贡献。
• 利用标准太阳模型（SSM）的通量和振荡存活概率，计算预期的νeES事件能谱。
• 应用微分截面公式：dσ/dT = dσSM/dT + dσµν/dT，其中νMM贡献与(µν/µB)² × (1−T/Eν)/T成正比。
• 模拟在液态闪烁体中对太阳中微子的O(100) kton·year曝光量下的事例率，假设能量阈值>40 keV。
• 将νMM信号谱与背景（氚、轴子）进行比较，识别仅由νMM贡献的能量区域。
• 在假设无信号的前提下，通过统计显著性与上限计算评估对µν的灵敏度。

实验结果

研究问题

• RQ1 大型液态闪烁体探测器是否能区分1–7 keV范围内中微子磁矩信号与氚β衰变或太阳轴子背景？
• RQ2 在40 keV以上区域，νMM信号是否显著延伸，而其他背景被有效抑制？
• RQ3 液态闪烁体探测器需要多大曝光量才能实现µν < 10−11µB以下的灵敏度？
• RQ4 液态闪烁体探测器能否提供一种与模型无关的νMM假说测试方法，且独立于天体物理假设？
• RQ5 在低能区，νMM、氚和轴子背景在液态闪烁体中的信号形状有何不同？

主要发现

• 在液态闪烁体中，νMM信号在低能区迅速上升，并在40 keV以上仍保持显著，而氚和太阳轴子背景在此阈值以上可忽略不计。
• 在约100 kton·year的曝光量下，液态闪烁体探测器可在90%置信水平下实现µν < 10−11µB的灵敏度。
• 在40 keV以上，仅νMM信号可被探测，使该能量区间成为与氚和轴子背景实现无歧义区分的理想区域。
• 当µν = 2.1 × 10−11µB时，νMM信号在液态闪烁体中可产生可观测的过剩，即使在氙探测器中因能量阈值较高而无法探测到。
• 该方法提供了一种直接的、基于实验室的νMM假说测试，独立于恒星冷却或超新星约束条件。
• 所提出的方法可与即将投入运行的氙基探测器（如XENONnT、LZ、PandaX-4T）实现交叉验证，从而解决当前XENON1T过剩现象的模糊性。