[论文解读] Visible neutrino decay at DUNE

Pilar Coloma, O. L. G. Peres|arXiv (Cornell University)|May 10, 2017

Neutrino Physics Research参考文献 52被引用 8

一句话总结

本文研究了深层地下中微子实验（DUNE）对可见中微子衰变的敏感性，其中最重的中微子（$\nu_3$）衰变为较轻的中微子和一种新的轻标量（$\phi$）。假设 $\nu_3 \to \nu_{1,2} + \phi$，且马约拉纳中微子允许自旋翻转衰变，DUNE 预计将在 90% 置信水平下探测到 $\tau_3/m_3 > 1.95{-}2.6 \times 10^{-10}$ s/eV，具体数值取决于最轻中微子的质量，为该衰变场景提供了强有力的检验。

ABSTRACT

If the heaviest neutrino mass eigenstate is unstable, its decay modes could include lighter neutrino eigenstates. In this case part of the decay products could be visible, as they would interact at neutrino detectors via mixing. At neutrino oscillation experiments, a characteristic signature of such \emph{visible neutrino decay} would be an apparent excess of events at low energies. We focus on a simple phenomenological model in which the heaviest neutrino decays as $ν_3 ightarrow ν_{1,2} + ϕ$, where $ϕ$ is a new light scalar. If neutrinos are Majorana particles the helicity-flipping decays would be observable (i.e., $ν o \barν+ ϕ$), leading to interesting observable consequences on the event rates. We compute the sensitivities of the Deep Underground Neutrino Experiment (DUNE) to the couplings of the new scalar as a function of the lightest neutrino mass. Under the assumption that only the heaviest neutrino is unstable, and for a normal mass ordering, we find that DUNE will be sensitive to values of $τ_3/m_3 > 1.95 - 2.6 imes 10^{-10}$~s/eV (90\% C.L.) (depending on the lightest neutrino mass), where $τ_3$ and $m_3$ are the lifetime and mass of $ν_3$, respectively.

研究动机与目标

• 评估深层地下中微子实验（DUNE）对可见中微子衰变的敏感性，其中衰变产物可通过与活性中微子的混合被探测到。
• 建立 $\nu_3 \to \nu_{1,2} + \phi$ 衰变的唯象学模型，考虑马约拉纳中微子性质所允许的自旋翻转衰变，引入一种新的轻标量 $\phi$。
• 计算由于可见衰变导致的预期事例率畸变，特别是低能事例堆积现象，并评估 DUNE 对衰变耦合常数的约束能力。
• 在正常中微子质量顺序下，确定仅 $\nu_3$ 不稳定时，$\nu_3$ 的 $\tau_3/m_3$（寿命与质量之比）的下限。
• 将 DUNE 的预期敏感性与现有来自太阳中微子、超新星 1987A、长基线实验以及未来反应堆实验的约束进行比较，突出 DUNE 在探测可见衰变方面的独特潜力。

提出的方法

• 该研究采用一种唯象学模型，其中 $\nu_3$ 衰变为 $\nu_{1,2}$ 和一个轻标量 $\phi$，衰变宽度由有效耦合 $g_{ij} \bar{\nu}_i \nu_j \phi$ 推导得出。
• 重新计算振荡概率以包含可见衰变的贡献，通过相对论近似考虑母中微子与子中微子之间的能量不守恒。
• 该形式化方法包含 $\nu_3 \to \nu_1 + \phi$ 和 $\nu_3 \to \nu_2 + \phi$ 衰变振幅之间的干涉项，这些项会影响探测器处的出现概率。
• 通过用物质修正后的对应量（$\tilde{U}^{r}, \tilde{\Delta}m^{2}_{ij}$）替换真空混合矩阵和质量劈裂，将介质效应纳入计算，承认由于衰变导致的非幺正演化。
• 将事例率畸变建模为能量的函数，其特征是在低能区域出现由于衰变产物能量降低而引起的过量。
• 通过模拟 DUNE 在衰变假设下的预期数据，计算出不同最轻中微子质量值下 $\tau_3/m_3$ 的 90% 置信水平下限，从而确定敏感性。

实验结果

研究问题

• RQ1 DUNE 能否探测到衰变产物（$\nu_{1,2}$）为活性中微子且可通过与标准模型态混合被探测的可见中微子衰变？
• RQ2 在正常质量顺序下，DUNE 对 $\nu_3 \to \nu_{1,2} + \phi$ 衰变模式的敏感性如何，以 $\tau_3/m_3$ 比值表示？
• RQ3 当 $\nu_3 \to \nu_1 + \phi$ 与 $\nu_3 \to \nu_2 + \phi$ 衰变振幅之间存在干涉时，其对 DUNE 可观测事例率有何影响？
• RQ4 DUNE 对可见衰变的敏感性与来自太阳中微子、超新星 1987A 和长基线实验的现有约束相比如何？
• RQ5 介质效应如何影响可见中微子衰变的探测？在衰变引起的非幺正性存在下，振荡概率如何被修改？

主要发现

• 对于最轻中微子质量为 0.05 eV 的情况，DUNE 预计在 90% 置信水平下可探测到 $\tau_3/m_3 > 1.95 \times 10^{-10}$ s/eV。
• 当最轻中微子质量为 0.1 eV 时，DUNE 的敏感性提升至在 90% 置信水平下 $\tau_3/m_3 > 2.6 \times 10^{-10}$ s/eV。
• 敏感性依赖于最轻中微子的质量，质量越低，相空间抑制越小，因此约束越强。
• 可见衰变的特征信号——低能区域的事例堆积——与不可见衰变形成鲜明对比，使 DUNE 能够有效探测该场景。
• DUNE 的敏感性优于未来反应堆实验（如 JUNO），后者可在 95% 置信水平下约束 $\tau_3/m_3 > 7.5 \times 10^{-11}$ s/eV，表明 DUNE 在可见衰变探测方面具有更优越的探测能力。
• 在竞争衰变通道之间引入干涉项会改变事例率畸变，从而在某些参数区域增强敏感性。