[论文解读] XENON1T constraints on neutrino non-standard interactions

Siddhartha Karmakar, Sujata Pandey|arXiv (Cornell University)|Jul 23, 2020

Dark Matter and Cosmic Phenomena被引用 4

一句话总结

本文利用XENON1T的低能电子反冲数据，对通过动力学混合的轻量级$Z^{\backprime}$规范 boson 介导的中微子非标准相互作用（NSI）进行约束。结果表明，当$m_{Z^{\backprime}} \lesssim 300$ keV时，XENON1T对$Z^{\backprime}$-中微子耦合的约束最为严格，优于传统天体物理约束（如红巨星冷却）在关键区域的限制，并识别出一个可行的场景（2a类），可解释XENON1T在约2 keV处的过剩信号，同时与约束条件保持一致。

ABSTRACT

The new XENON1T observation of dark matter-electron scattering cross-section, along with further constraining many popular dark matter models, has indicated the possibility of new physics at a low energy. We point out that this new observation also significantly constrain the neutrino non-standard interactions (NSI). We consider the NSI arising from a kinetically mixed $Z'$ with renormalisable and dipole-like interactions with the active and light sterile neutrinos. In passing, we also address the possibility of explaining the XENON1T excess around electron recoil energy ~ 2 keV in presence of such NSI.

研究动机与目标

• 利用XENON1T的低能电子反冲数据，对通过轻量级$Z^\backprime$规范 boson 介导的中微子非标准相互作用（NSI）进行约束。
• 评估$Z^\backprime$-介导的NSI在解释XENON1T在约2 keV电子反冲能量处的过剩信号方面的可行性。
• 将XENON1T的约束与来自红巨星冷却、超新星冷却及Borexino的现有约束进行比较，特别是在涉及活性与惰性中微子的场景中。
• 评估惰性中微子质量与$Z^\backprime$-中微子耦合类型（可重整化、电偶极）对最终约束的影响。
• 确定是否存在任何NSI场景能够同时解释XENON1T的过剩信号并满足严格的天体物理与宇宙学约束。

提出的方法

• 通过可重整化与电偶极型相互作用，建模由动力学混合的$Z^\backprime$规范 boson 介导的NSI，该boson与活性中微子及轻量级惰性中微子耦合。
• 利用从$Z^\backprime$-中微子相互作用的拉格朗日量推导出的振幅，计算中微子-电子散射的微分截面，包括运动学因子与$\epsilon$-依赖的混合效应。
• 应用XENON1T的探测效率因子$\epsilon_{\text{eff}}(E_R)$，并积分太阳中微子通量（pp、$^7$Be、$^8$Be、hep）以计算事件率。
• 通过$\chi^2$拟合，确定在不同$m_{Z^\backprime}$与$m_N$值下对耦合$g\epsilon$的最佳拟合约束。
• 将XENON1T的约束与来自红巨星冷却（RG）、超新星冷却（SN）及原初核合成（BBN）的约束进行比较，特别关注惰性中微子场景。
• 评估$Ne \to Ne$弹性散射在$Z^\backprime$交换过程中的作用，该过程在高$m_N$与$E_\nu \sim m_N$时主导于非弹性$\nu e \to Ne$散射。

实验结果

研究问题

• RQ1 XENON1T的低能电子反冲数据如何约束通过$Z^\backprime$介导的活性与惰性中微子的NSI？
• RQ2 是否存在任何$Z^\backprime$-介导的NSI场景，既能解释XENON1T在约2 keV电子反冲能量处的过剩信号，又能与天体物理约束保持一致？
• RQ3 在不同$m_{Z^\backprime}$与$m_N$区域，XENON1T的约束相较于红巨星冷却与超新星冷却约束的相对强度如何？
• RQ4 当$Ne \to Ne$散射主导于$\nu e \to Ne$散射时，对重惰性中微子（$m_N \gtrsim 400$ keV）的约束有何影响？
• RQ5 在包含天体物理冷却与宇宙学约束后，$Z^\backprime$-中微子耦合在何种参数空间中仍保持可行？

主要发现

• 当$m_{Z^\backprime} \lesssim 80$ keV时，红巨星冷却通过可重整化相互作用（1a类）提供对$Z^\backprime$-中微子耦合最强的约束，但当$m_{Z^\backprime} \gtrsim 80$ keV时，XENON1T的约束超越了它。
• 对于与活性中微子的电偶极相互作用（1b类），XENON1T在$30~\text{keV} \lesssim m_{Z^\backprime} \lesssim 300$ keV范围内提供了最严格的约束，2σ水平下$g\epsilon \lesssim 2.4 \times 10^{-13}$。
• 当$m_{Z^\backprime} \lesssim 30$ keV时，红巨星冷却的约束占主导；当$m_{Z^\backprime} \gtrsim 300$ keV时，超新星冷却的约束占主导，两者均超过XENON1T的约束。
• 在$m_N \lesssim 10$ keV的惰性中微子场景中，红巨星冷却的约束最强；当$m_N \gtrsim 10$ keV时，XENON1T的约束占主导，尤其在$m_{Z^\backprime} \sim 1$ keV时更为显著。
• 当$m_{Z^\backprime} = 150$ keV时，XENON1T的约束在所有$m_N$值下均强于红巨星冷却，表明其在keV量级$Z^\backprime$规范区域具有主导地位。
• 在涉及与惰性中微子的电偶极相互作用的场景中（2b类与3b类），当$m_N \gtrsim 350$ keV时，超新星冷却提供最紧的约束；而XENON1T的约束在$m_N \gtrsim 200$ keV时减弱，原因在于400 keV以上太阳中微子通量的下降。