Probing long-range $L_e-L_\mu$ forces with supernova neutronization burst neutrinos

Resumo Técnico: Sondando Forças de Longo Alcance $L_e - L_\mu$ com Neutrinos do Surto de Neutronização de Supernovas

Problema e Motivação
As oscilações de neutrinos fornecem a primeira evidência experimental de física além do Modelo Padrão (BSM), contudo, a origem das massas de neutrinos e da estrutura de sabor permanece desconhecida. Uma classe significativa de modelos BSM prevê a existência de interações de longo alcance (LRI) dependentes de sabor, mediadas por bósons de calibre ultraleves associados a simetrias $U(1)'$ adicionais, tais como $L_e - L_\mu$, $L_e - L_\tau$ e $L_\mu - L_\tau$. Embora essas interações sejam restringidas por dados solares, atmosféricos e de longa linha de base, um subespaço considerável de parâmetros permanece aberto.

Experimentos terrestres padrão têm dificuldade em detectar essas interações se os mediadores forem suficientemente leves, pois as forças são extremamente fracas. No entanto, neutrinos astrofísicos viajando sobre distâncias macroscópicas oferecem um laboratório único. Especificamente, a fase do surto de neutronização de uma supernova de colapso de núcleo (CCSN) — ocorrendo nos primeiros $\sim 25$ ms após o rebote do núcleo — é dominada por neutrinos do tipo eletrônico ($\nu_e$) produzidos via captura eletrônica. No cenário padrão, a propagação adiabática através do envelope estelar faz com que esses $\nu_e$ emerjam como estados de massa específicos ($\nu_3$ para Ordenamento de Massa Normal (NMO) e $\nu_2$ para Ordenamento de Massa Invertido (IMO)). Os autores propõem que mediadores ultraleves poderiam gerar um potencial de longo alcance causado pelos elétrons na supernova, no Sol, na Terra e na galáxia. Este potencial persiste por distâncias astronômicas, potencialmente alterando os ângulos de mistura efetivos e as probabilidades de sobrevivência dos neutrinos chegando à Terra, modificando assim o sinal observável em detectores terrestres.

Metodologia
Os autores investigam a sensibilidade do Deep Underground Neutrino Experiment (DUNE), especificamente sua câmara de projeção temporal de argônio líquido (LArTPC) de 40 kt, a LRIs dentro da estrutura livre de anomalias $U(1)'_{L_e - L_\mu}$.

1. Estrutura Teórica:

   • O estudo incorpora um potencial de longo alcance $V'_e$ gerado pela simetria $L_e - L_\mu$. Este potencial é originado pela densidade de número de elétrons de vários corpos astrofísicos (Supernova, Sol, Terra, Lua, Via Láctea e regiões extragalácticas).
   • O Hamiltoniano efetivo para a propagação de neutrinos inclui o termo de vácuo padrão, o potencial de matéria MSW padrão ($V_{cc}$) e o novo potencial de LRI ($V'_e$).
   • Os autores derivam a probabilidade de sobrevivência do neutrino eletrônico ($P_{ee}$) na Terra como uma função dos ângulos de mistura efetivos ($\tilde{\theta}^E_{12}, \tilde{\theta}^E_{13}$) modificados pelos potenciais combinados. Eles analisam os diagramas de cruzamento de níveis para ambos os cenários NMO e IMO.

2. Simulação e Resposta do Detector:

   • Fonte: A fonte de referência é Betelgeuse, localizada a $\sim 168$ pc, modelada usando uma simulação hidrodinâmica 1D de um progenitor de $25 M_\odot$ (grupo Garching).
   • Sinal: A simulação foca no surto de neutronização, assumindo um espectro de energia quase térmico "pinched".
   • Detecção: O canal dominante é a interação de corrente carregada $\nu_e + ^{40}\text{Ar} \to ^{40}\text{K}^* + e^-$. A análise utiliza o gerador de eventos MARLEY e modela a resolução do detector via suavização Gaussiana ($\sigma_E = 0.11\sqrt{E/\text{MeV}} + 0.2(E/\text{MeV})$).
   • Análise Estatística: É empregada uma abordagem frequentista usando uma análise $\chi^2$ em bins sobre a energia reconstruída e o tempo pós-rebote. A análise contabiliza incertezas sistemáticas (normalização de fluxo, seção de choque e normalização geral) usando variáveis de pull. A sensibilidade é quantificada pelo $\Delta \chi^2$ entre a hipótese de Interação do Modelo Padrão (SMI) e a hipótese de LRI.

Principais Contribuições e Resultados

• Modificação da Probabilidade de Sobrevivência: Os autores demonstram que, quando o potencial de LRI é comparável ou domina o termo de oscilação de vácuo, a probabilidade de sobrevivência do neutrino eletrônico ($P_{ee}$) pode ser significativamente modificada.
  • No cenário NMO, $P_{ee}$ pode variar do valor padrão de $\approx 0,022$ até quase a unidade.
  • No cenário IMO, $P_{ee}$ pode variar de $\approx 0,30$ até $\approx 0,98$.
  • Essas variações dependem da energia do neutrino e da magnitude do potencial, que é uma função do acoplamento $g'_e$ e da massa do mediador $m_{Z'}$ (ou alcance da interação $\lambda$).
• Distorções Observáveis: A modificação de $P_{ee}$ leva a distorções distintas tanto nas distribuições temporais quanto de energia das taxas de eventos no DUNE. O estudo mostra que, para um ponto de referência ($g'_e = 10^{-25}, \lambda = 1$ kpc), a contribuição solar ao potencial domina, produzindo desvios observáveis do perfil SMI padrão.
• Projeções de Sensibilidade:
  • A sensibilidade projetada do DUNE para o acoplamento $g'_e$ é apresentada no plano $(g'_e, m_{Z'})$.
  • A sensibilidade é altamente dependente do alcance da interação $\lambda$. Para alcances muito curtos, o potencial é suprimido; para alcances muito longos, ele satura. A região de transição, onde $\lambda$ é comparável a distâncias astrofísicas (Terra-Sol, Terra-SN), mostra a melhoria mais rápida na sensibilidade.
  • Dependência do Ordenamento de Massa: A sensibilidade é significativamente mais forte para o Ordenamento de Massa Invertido (IMO) do que para o NMO. Isso é atribuído à maior probabilidade de sobrevivência de base no IMO ($\approx 0,30$), o que permite maiores desvios absolutos nas taxas de eventos em comparação com o valor de base muito pequeno no NMO ($\approx 0,022$).
  • Para uma supernova do tipo Betelgeuse, a sensibilidade projetada no caso IMO pode exceder as restrições atuais derivadas de neutrinos atmosféricos de multi-GeV no IceCube (DeepCore) em uma parte significativa do espaço de parâmetros.

Significância
O artigo afirma que observações futuras de neutrinos de supernovas galácticas, particularmente de um evento próximo como Betelgeuse, fornecem uma sonda sensível e complementar para interações leptônicas de longo alcance dependentes de sabor. O surto de neutronização é destacado como um laboratório excepcionalmente limpo porque sua composição inicial de sabor é bem compreendida (dominada por $\nu_e$) e amplamente independente de efeitos de oscilação coletiva ou incertezas no mecanismo de explosão da supernova.

Os autores enfatizam que este método permite a exploração de regimes de acoplamento extremamente pequenos e massas de mediadores ultraleves que são inacessíveis a experimentos laboratoriais convencionais. Embora a sensibilidade seja maximizada para fontes próximas, a metodologia permanece robusta para supernovas galácticas mais distantes, oferecendo uma janela única para novas forças no setor leptônico. Os resultados sugerem que o DUNE poderia fornecer restrições que são competitivas ou superiores aos ajustes globais existentes e limites astrofísicos, dependendo do verdadeiro ordenamento de massa de neutrinos.