[論文レビュー] Closing the Neutrino "BSM Gap": Physics Potential of Atmospheric Through-Going Muons at DUNE

A. Schneider, Barbara Skrzypek+2 more|arXiv (Cornell University)|Jun 2, 2021

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 83被引用数 7

ひとこと要約

本論文は、DUNEの遠方検出器が、14 mの液体アルゴンを通過するミューオンを用いて、50 GeV–1 TeVの大気中ニュートリノエネルギー領域における標準模型を越える（BSM）物理学を探索可能であると提唱している。高分解能の液体アルゴンタイムプロジェクションチェンバー（LArTPC）技術を活用し、イオン化およびシャワー生成によるミューオンエネルギー損失を再構築することで、DUNEは、これまでこのエネルギー領域で測定不可能であったBSMのシグネチャ—例えば、不活性ニュートリノやローレンツ対称性の破れ—を解明できる可能性を有する。

ABSTRACT

Many Beyond-Standard Model physics signatures are enhanced in high-energy neutrino interactions. To explore these signatures, ultra-large Cherenkov detectors such as IceCube exploit event samples with charged current muon neutrino interactions > 1 TeV. Most of these interactions occur below the detector volume, and produce muons that enter the detector. However, the large spacing between detectors leads to inefficiency for measuring muons with energies below or near the critical energy of 400 GeV. In response, IceCube has built a densely instrumented region within the larger detector. This provides large samples of well-reconstructed interactions that are contained within the densely instrumented region, extending up to energies of ~50 GeV. This leaves a gap of relatively unexplored atmospheric-neutrino events with energies between 50 GeV and 1 TeV in the ultra-large detectors. In this paper we point out that interesting Beyond Standard Model signatures may appear in this energy window, and that early running of the DUNE far detectors can give insight into new physics that may appear in this range.

研究の動機と目的

• 超大規模ニュートリノ検出器が現在未調査領域である50 GeV–1 TeVのエネルギー範囲における大気中通過ミューオンの物理学的ポテンシャルを特定・定量すること。
• DUNEの液体アルゴンタイムプロジェクションチェンバー（LArTPC）技術が、このエネルギー領域で十分な分解能を有し、BSMのシグネチャを探索可能であることを示すこと。
• 非標準的ニュートリノ相互作用およびローレンツ対称性の破れに感度を持つために、50–1000 GeV範囲のミューオンエネルギー再構築に特化したアルゴリズムの開発を促すこと。
• DUNEの高精細な空間分解能と深地下位置を活かして、大気中ニュートリノ研究における「BSMギャップ」を埋めること。

提案手法

• DUNEの遠方検出器で使用されるLArTPC技術を用い、14 mの液体アルゴンを通過するミューオンのイオン化およびシャワー生成によるエネルギー損失を測定する。
• 初期ミューオンエネルギーが100–1000 GeVの範囲で、イオン化（δ線）、対生成、ブレムストラールャン、光核反応プロセスによるエネルギー損失をモデル化する。
• シミュレートされたミューオン軌跡を用いてエネルギー堆積およびシャワー生成を推定し、単純なカウントによる期待分解能は約40%であり、機械学習を用いることで改善可能である。
• MicroBooNEから得たセマンティックセグメンテーション技術を応用し、LArTPCデータ内での低エネルギーシャワーやδ線の同定および再構築を実施する。
• LeptonInjectorおよびMCEqを用いたモンテカルロシミュレーションにより、大気中ニュートリノフラックスおよび液体アルゴン内でのミューオン相互作用をモデル化する。
• BSMシグナルの検出に必要なエネルギー分解能を評価し、特に不活性ニュートリノ探索およびローレンツ対称性の破れに焦点を当てる。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 DUNEのLArTPC検出器は、50–1000 GeVのエネルギー範囲のミューオンエネルギーを、BSM物理学を探索するのに十分な精度で再構築できるか？
• RQ2 DUNEは、特に50–1000 GeVの範囲において、不活性ニュートリノの振動にどの程度感度を持つのか？
• RQ3 DUNEは、通過ミューオンイベントにおけるエネルギー依存性のある非等方性を介して、ローレンツ対称性の破れのシグネチャを検出可能か？
• RQ4 LArTPCにおけるイオン化およびシャワー生成によるエネルギー分解能は、このギャップ領域において、IceCube や Super-K といった既存の検出器と比較してどのように異なるか？
• RQ5 このエネルギー領域におけるBSM物理学の探索に必要なエネルギー分解能を達成するためには、どのような再構築技術が必要か？

主な発見

• 2 mの液体アルゴンを通過する50 GeVのミューオンは平均して56 MeVのエネルギーを堆積させ、LArTPCでイオン化およびシャワー生成により分解能を有する。
• 単純なエネルギー損失のカウントによる期待分解能は約40%であるが、機械学習を用いた高度な再構築により顕著に向上する可能性がある。
• DUNEの14 mのLArTPCモジュールは、100–1000 GeVのエネルギー範囲におけるミューオンシャワーやδ線を解像するのに適しており、エネルギー再構築が可能である。
• 本論文は、BSMのシグネチャ—例えば不活性ニュートリノやローレンツ対称性の破れ—が、単に天頂角情報に依存する検出器では完全に見逃される可能性があることを示しており、エネルギー分解能の重要性を強調している。
• DUNEの高精細な空間分解能とフィducialボリュームのおかげで、IceCube や Super-K が未調査領域としている50–1000 GeVギャップを独自に探査可能である。
• 本研究は、DUNEにおける特化したミューオンエネルギー再構築アルゴリズムの開発に強い物理学的動機を提供し、大気中ニュートリノエネルギー領域における新物理の発見可能性を示している。