[论文解读] Viable models for large non-standard neutrino interactions

Yasaman Farzan|arXiv (Cornell University)|Dec 15, 2016

Neutrino Physics Research参考文献 28被引用 3

一句话总结

本文提出两种基于轻量级 $U(1)'$ 规范对称性的可行模型，其 $Z'$ 玻色子质量约为 $O(10\,$MeV)，可产生大范围的中性流非标准中微子相互作用（NSI），耦合常数为 $5\times10^{-5}$--$10^{-4}$ 量级。这些 NSI 在长基线中微子振荡实验（如 DUNE 和 NO\nu A）中可产生可探测的效应，同时通过在夸克与中微子耦合中精心设计的味和手征性结构，仍与现有实验约束保持一致。

ABSTRACT

Thanks to high precision long baseline neutrino experiments such as NO$ν$A and DUNE, possible effects of Non-Standard neutrino Interactions (NSI) on neutrino oscillation data have received renewed interest in the last two years. It is however challenging to build models that can give rise to NSI with sizeable couplings discernible at neutrino oscillation experiments without violating the various existing experimental bounds. We introduce two viable models that can lead to neutral current NSI with sizable couplings. Both models are based on a new $U(1)^\prime$ gauge symmetry with $Z^\prime$ gauge boson of mass $O(10~{ m MeV})$. We will highlight the common phenomenological features of these models and suggest ways to test them.

研究动机与目标

• 构建可行的模型，产生足够大的非标准中微子相互作用（NSI）耦合，使其在 DUNE 和 NO\\nu A 等长基线振荡实验中可被探测。
• 确保这些模型与来自中微子散射、太阳中微子实验和宇宙学的现有实验约束一致。
• 识别可在天体物理和地面实验中检验的可观测信号。
• 探讨由同一 $U(1)'$ 规范对称性产生的味对角与味非对角 NSI 结构的物理内涵。

提出的方法

• 引入一种新的 $U(1)'$ 规范对称性，其对应的 $Z'$ 规范玻色子质量为 $O(10\,$MeV)，并与中微子及第一代夸克耦合。
• 构建模型，使有效四费米子 NSI 雅可比量由 $Z'$ 交换产生，参数化为 $\mathcal{L}_{\rm NSI} = -2\sqrt{2}G_F \epsilon_{\alpha\beta}^{fX} (\bar{\nu}_\alpha \gamma^\mu P_L \nu_\beta)(\bar{f}\gamma_\mu P_X f)$。
• 对夸克施加非手征性耦合（$\epsilon^{fL}_{\alpha\beta} = \epsilon^{fR}_{\alpha\beta}$），并将电子耦合设为零，以满足太阳中微子通量的约束。
• 确保当 $m_{Z'} < m_\pi$ 时，$Z'$ 主要衰变为中微子，从而实现与原初中微子的共振相互作用。
• 利用 $Z'$ 交换产生物质中 $\epsilon_{\alpha\beta} \sim O(1)$ 量级的大型 NSI 耦合，足以影响振荡行为。
• 从现有实验（如 CCFR、CHARM、NuTeV）和宇宙学约束（如大爆炸核合成）中推导限制条件。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否构建出产生大范围中性流 NSI 耦合（$\epsilon \sim O(1)$）的可行模型，同时不违反现有实验约束？
• RQ2 质量约为 $10\,$MeV 的轻量级 $Z'$ 玻色子如何在保持与中微子散射和太阳中微子数据一致的前提下，实现显著的 NSI 耦合？
• RQ3 此类 $Z'$ 的关键天体物理与宇宙学信号是什么，可用来检验该模型？
• RQ4 该模型能否通过大范围的非对角 NSI 解释太阳中微子问题的 LMA-Dark 解？
• RQ5 该模型对超新星中微子辐射和高能宇宙中微子能谱有何可观测影响？

主要发现

• 模型产生的 NSI 耦合常数为 $5\times10^{-5}$--$10^{-4}$ 量级，足够大，可在 DUNE 和 NO\\nu A 等长基线中微子振荡实验中产生可测量效应。
• 质量为 $O(10\,$MeV) 的 $Z'$ 玻色子可在超新星核心中热产生，并以约 $10^{-9}$ km 的衰变长度衰变为中微子，从而延长中微子辐射的持续时间。
• 高能宇宙中微子与原初中微子相互作用可共振产生 $Z'$，在 $E_\nu \sim 500\,$TeV--1 PeV 能段形成能量谱的凹陷，对应 $m_{Z'} \sim 10\,$MeV。
• $Z'$ 对中微子和夸克的耦合可通过直接暗物质探测实验探测：当前 CDMLite 实验的约束（$\sqrt{g_B g_\nu} \lesssim 5\times10^{-5}$）已覆盖部分参数空间，而未来实验如 LUX-ZEPLIN 和 SuperCDMS 将完全覆盖该区域。
• 模型预测由于 $Z'$ 共振，宇宙中微子谱会出现可测量的凹陷，相关耦合范围内的光学深度 $\gtrsim 1$，使其在 IceCube 数据中可能被探测到。
• 模型与大爆炸核合成一致，要求 $m_{Z'} > 5\,$MeV，且通过设定 $\epsilon^{eL,R}_{\alpha\beta} = 0$ 并令 $u$ 和 $d$ 夸克的左右手耦合相等，避免了太阳中微子实验的约束。