JUNO에서 스칼라 NSI가 만든 θ₁₂ 공명, 질량 순서 결정 위기

초록

JUNO의 질량 순서(NMO) 측정은 스칼라 매개 비표준 중성미자 상호작용(SNSI) 파라미터 ηₑₑ가 3×10⁻³~7×10⁻³ 범위에 있을 때 심각하게 약화된다. ηₑₑ≈5.7×10⁻³에서 θ₁₂가 π/4가 되는 새로운 공명이 발생해 NO와 IO 사이의 생존 확률이 거의 동일해지며 NMO 민감도가 2σ 이하로 떨어지고, 더 큰 ηₑₑ에서는 완전히 사라진다.

상세 분석

본 논문은 현재 가동 중인 JUNO 원자로 실험이 목표로 하는 질량 순서(NMO) 결정이 스칼라 매개 비표준 중성미자 상호작용(SNSI) 때문에 얼마나 위협받을 수 있는지를 정량적으로 분석한다. 저자들은 SNSI를 매개하는 새로운 스칼라 ϕ′가 존재한다고 가정하고, 그 효과를 ηₑₑ라는 차원 없는 파라미터로 요약한다. ηₑₑ가 0이면 표준 진동식과 동일하지만, ηₑₑ가 양(음) 방향으로 10⁻³ 수준까지 변하면 효과적인 태양 혼합각 θ₁₂가 크게 변한다. 특히 ηₑₑ≈η_res≈5.7×10⁻³에서 tan 2θ_eff₁₂의 분모가 0이 되어 θ_eff₁₂=π/4가 되는 공명이 발생한다. 이는 전통적인 MSW 공명과 구조가 유사하지만, 물질 전위 A 대신 ηₑₑ B가 역할을 한다는 점에서 차별된다. 공명 이후 θ_eff₁₂는 π/4를 넘어 “다크 사이드”(θ>π/4) 영역으로 이동하고, 이때 ν̄_e 생존 확률 P(ν̄_e→ν̄_e) 의 주요 항인 sin²2θ₁₂ c⁴₁₃ sin²Δ₂₁와 NMO에 민감한 Δ₃₁ 항이 서로 상쇄된다. 결과적으로 NO와 IO 가 동일한 에너지 스펙트럼을 보이게 되며, χ² 차이 Δχ²=χ²_NO−χ²_IO가 0에 수렴한다. 시뮬레이션에서는 ηₑₑ가 −7.1×10⁻³ 이하 또는 +3.3×10⁻³ 이상이면 Δχ²가 2σ 이하로 떨어지고, ηₑₑ≳5.7×10⁻³에서는 완전히 사라진다. 저자들은 GLoBES 기반의 자체 코드를 사용해 6.5년 데이터(340 에너지 빈) 를 재현하고, 시스템atics를 풀(pull) 파라미터로 포함시켜 실제 JUNO 분석과 일치하도록 검증하였다. 또한 ηₑₑ에 대한 기존 Borexino 제한과 비교했을 때, 현재 90% C.L. 제한이 충분히 느슨해 이 현상이 실험적으로 배제되지 않음을 강조한다. 따라서 SNSI가 실제 존재한다면 JUNO의 핵심 목표인 NMO 결정이 위험에 처할 수 있다.