[論文レビュー] Anti-neutrino oscillations with T2K

M. Ravonel Salzgeber|arXiv (Cornell University)|Aug 25, 2015

Neutrino Physics Research参考文献 4被引用数 7

ひとこと要約

本論文は、4.04×10²⁰プロトン on target を用いたT2K長基準長ニュートリノ振動実験において、電子反ニュートリノの出現を初めて探索するものである。3つの電子型イベントしか観測されなかったが、分析の結果、反ニュートリノの出現に有意な証拠は得られず、レートのみのp値は0.26、ベイズ因子は1.1であった。これは、バックグラウンドのみの仮説を排除するのに十分な統計的精度が得られていないことを示しており、レプトン系におけるCP対称性の破れを調べるにはさらなるデータが不可欠であることを強調している。

ABSTRACT

T2K is a long-baseline neutrino oscillation experiment, in which a muon neutrino beam is produced at J-PARC and detected 295 km away at the Super-Kamiokande detector. The T2K experiment observed electron-neutrino appearance in 2012. This observation enables T2K to explore CP violation in the lepton sector by comparing electron-neutrino appearance and electron-antineutrino appearance. Indeed, the number of observed electron neutrino events up to 2012 is, though within statistical fluctuation, larger than the expectation, which suggests maximal CP violation. Since 2013, T2K has been accumulating data with a muon antineutrino beam. If the suggested maximal CP violation is true, electron-antineutrino appearance would be suppressed. The signal is further suppressed by the smaller cross section for antineutrinos compared to neutrinos. Hence the observation of electron-antineutrino appearance is an important next step. Furthermore, the CPT theorem imposes that the muon disappearance rate must be the same for muon neutrinos and muon antineutrinos; therefore the comparison between neutrinos and antineutrinos is a good test of the CPT theorem, or else a probe for new non-standard interactions of neutrinos with matter. We will report the result of the first search for electron-antineutrino appearance in T2K, as well as a new measurement of muon-antineutrino disappearance to compare with muon-neutrino disappearance measurements.

研究の動機と目的

• T2K実験における電子反ニュートリノ出現の探索を通じて、レプトン系におけるCP対称性の破れを検証すること。
• ミューオン反ニュートリノの消失を測定し、ミューオンニュートリノの消失と比較することで、CPT定理の検証を行うこと。
• 近接検出器（ND280）のデータと改善されたニュートリノ反応モデルを用いて、振動解析における系統的不確実性を低減すること。
• エネルギーと運動量分布の両方の情報（レートと形状）を用いて、遠方検出器（Super-Kamiokande）の電子反ニュートリノ出現に対する感度を評価すること。

提案手法

• 再構築されたニュートリノエネルギー、電子運動量、角度分布を用いた尤度ベースの解析により、レートのみの測定を超える感度を向上させた。
• 予想されるイベント数における電子反ニュートリノ出現の有無をモデル化するため、離散的パラメータ β = {0,1} を導入した。
• エネルギーおよび運動量・角度のビンごとの観測イベント数と期待イベント数の差に着目したポisson尤度関数を用い、系統的不確実性はマージナライズした。
• クロムと酸素標的に2核子過程（2p2h）を含むように、NEUTモンテカルロジェネレータを更新し、断面積モデルの改善を図った。
• ニュートリノモードで5.8×10²⁰ POT、反ニュートリノモードで0.43×10²⁰ POT の近接検出器データ（ND280およびINGRID）を用い、フラックスおよび断面積パラメータを制約した。
• レートのみの仮説とレート＋形状の仮説の両方に対してp値およびベイズ因子を計算し、電子反ニュートリノ出現の証拠を評価した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 T2K実験の反ニュートリノビームデータにおいて、電子反ニュートリノ出現に有意な証拠があるか？
• RQ2 Super-Kamiokande検出器における観測された電子型イベントのレートは、バックグラウンドのみの仮説と比較してどのように異なるか？
• RQ3 再構築されたニュートリノエネルギーおよび電子運動量の形状情報は、電子反ニュートリノ出現の感度をどの程度向上させるか？
• RQ4 ミューオン反ニュートリノの消失結果は、ミューオンニュートリノの消失結果と比較してどう異なるか？これはCPT不変性に何を示唆するか？
• RQ5 現在および将来のデータを用いた場合、T2K実験がレプトン系におけるCP対称性の破れをどの程度の感度で探査できるか？

主な発見

• T2K実験では、反ニュートリノ運行中、Super-Kamiokande検出器で単一リングの電子型イベントが3件観測された。
• 電子反ニュートリノ出現のレートのみのp値は0.26であり、バックグラウンドのみの仮説からの有意な逸脱は認められなかった。
• レートのみのベイズ因子は1.1であり、バックグラウンドのみのモデルに比べて出現仮説をわずかに支持する弱い証拠にとどまった。
• 形状情報が含まれる場合、p値はエネルギービンでは0.34、運動量および角度ビンでは0.16に上昇し、出現の証拠はさらに弱まった。
• エネルギーおよび角度の形状解析における検定統計量 -2ΔlnL は、それぞれ -1.16 および 0.16 であり、出現モデルに強い傾向は示さなかった。
• 解析の結論として、現在の統計的精度では電子反ニュートリノ出現の証拠を主張するには不十分であり、CP対称性の破れを効果的に探査するにはさらなるデータが必要であると結論づけた。