[論文レビュー] Discriminating between nu_mu nu_tau and nu_mu nu_sterile in atmospheric nu_mu oscillations with the Super-Kamiokande detector

A. Habig|arXiv (Cornell University)|Jun 5, 2001

Neutrino Physics Research被引用数 4

ひとこと要約

この論文は、スーパーカムイオカンデ検出器からの3つの独立した解析を用いて、ミューオンニュートリノの振動がタウニュートリノ（$uf{\mu} \leftrightarrow \nuf{\tau}$）へのものか、ステアーリルニュートリノ（$uf{\mu} \leftrightarrow \nuf{sterile}$）へのものかを区別する。$uf{\mu} \leftrightarrow \nuf{\tau}$ 振動が強く支持され、$τ$ レプトンの出現信号は顕著でないが、3つのすべての $τ$ 出現探索で、期待値と整合的な約2σの過剰が観測された。

ABSTRACT

A strong body of evidence now exists for atmospheric nu_mu disappearance oscillations. Such disappearance could be explained by oscillations to either nu_tau or a ``sterile'' neutrino (nu_s). Super-Kamiokande uses three different methods to distinguish between these two scenarios. First, matter effects would suppress the nu_mu nu_s oscillation amplitude at high energy. Second, oscillation to nu_s would reduce the overall neutral-current neutrino interaction rate. Third, the smoking gun of nu_mu nu_tau oscillations would be the observation of tau appearance resulting from charged-current nu_tau interactions. The results of these three techniques are presented, which strongly favor nu_mu nu_tau oscillations over nu_mu nu_s.

研究の動機と目的

• 大気ニュートリノにおける $ν_\mu$ の消失が、$ν_\mu \to \nu_\tau$ と $ν_\mu \to \nu_{sterile}$ 振動のどちらによって説明されるかを区別すること。
• 観測された $ν_\mu$ の消失が、弱い相互作用を示すステアーリルニュートリノへの振動か、既知の $ν_\tau$ への振動かをテストすること。
• 電荷現在反応による $τ$ レプトンの生成を示す直接的証拠を検出すること。
• データが $ν_\mu \to \nu_\tau$ 振動と、副次的なステアーリルニュートリノ成分の両者とどれほど整合するかを評価すること。
• 物質効果と中性荷電現在相互作用が、2つの仮説を区別する上で果たす影響を評価すること。

提案手法

• エネルギーと基準長に依存する $ν_\mu$ の消失を、$(\sin^2 2\theta, \Delta m^2)$ パラメータ空間での $\chi^2$ 擬似に合わせて、完全に閉じた（FC）単一リングイベントを分析する。
• 中性荷電現在（NC）に富んだイベント標本を用いて、$ν_{sterile}$ は NC 相互作用に参加しないため、$ν_\mu \to \nu_{sterile}$ 偽説では NC 相互作用が抑制されることをテストする。
• 物質効果の分析を適用して、高エネルギー領域で $ν_\mu \to \nu_{sterile}$ 振動を抑制する。物質はステアーリル振動を抑制するが、$ν_\tau$ 振動には影響しない。
• $τ$ 衰えのシグネチャを特定するため、尤度ベースの再構成、ニューラルネットワーク、エネルギー流れ／ジェット検出アルゴリズムを用いた3つの独立した $τ$ 出現探索を実施する。
• 上向きの $ν_\tau$ を選別するための5つの $\cos\Theta$ バインに観測されたイベント数を、$τ$ 出現あり・なしのMC予想と比較する。
• 3つの解析の結果を統合して、$τ$ 出現過剰の有意性を評価するが、各手法間の高い相関を認識している。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 大気ニュートリノにおける観測された $ν_\mu$ の消失が、$ν_\mu$ からステアーリルニュートリノへの振動によって説明可能かどうか。
• RQ2 $ν_{sterile}$ は NC 相互作用に参加しないため、スーパーカムイオカンデの NC 相互作用率が $ν_\mu \to \nu_{sterile}$ 偽説を支持するか。
• RQ3 高エネルギー $ν_\mu$ 振動における物質効果が、$ν_\mu \to \nu_{sterile}$ か $ν_\mu \to \nu_\tau$ 偽説のどちらと整合するか。
• RQ4 スーパーカムイオカンデデータに、$ν_\mu \to \nu_\tau$ 振動と整合する統計的に有意な $τ$ レプトンの出現信号は存在するか。
• RQ5 すべての利用可能なデータを踏まえた場合、$ν_{sterile}$ が振動過程に寄与できる最大割合は何か。

主な発見

• 中性荷電現在データは、$ν_\mu \to \nu_{sterile}$ 偽説を否定する。この仮説では NC 相互作用が抑制されるが、実際のデータにはそのような抑制は観測されない。
• 物質効果は高エネルギー領域で $ν_\mu \to \nu_{sterile}$ 振動を抑制するが、観測された $ν_\mu$ の消失のエネルギー依存性は、$ν_\mu \to \nu_\tau$ 振動によってよりよく説明される。
• 3つの $τ$ 出現探索手法すべてが、約2σの過剰を示しており、尤度法、ニューラルネット法、エネルギー流れ法それぞれで観測された $τ$ イベント数は66、92、79であった。
• $τ$ 出現信号の有意性は各解析で約2σであり、期待される有意性は1.5～2.2の範囲にあり、$ν_\mu \to \nu_\tau$ 振動と整合的である。
• すべてのスーパーカムイオカンデの大気ニュートリノデータを同時にフィットした結果、$ν_{sterile}$ は副次的な振動相手として最大25%（90%信頼水準）まで許容可能であるが、$ν_\mu \to \nu_\tau$ が主要なメカニズムであると支持される。
• 消失、NC、物質効果、$τ$ 出現探索の統合的証拠は、$ν_\mu \to \nu_{sterile}$ よりも $ν_\mu \to \nu_\tau$ 振動を強く支持する。