[論文レビュー] Experimental search for the LSND anomaly with the ICARUS LAr TPC detector in the CNGS beam

M. Antonello, B. Baibussinov+55 more|arXiv (Cornell University)|Sep 1, 2012

Particle physics theoretical and experimental studies被引用数 16

ひとこと要約

本研究では、730 kmの基準距離を有するCNGSニュートリノビームにおけるICARUS液体アルゴンタイムプロジェクションチェンバを用いて、LSND異常を探索した。1091個のニュートリノイベントにおいて、背景から予想される3.7個に対して2個の電子型イベントが観測されたが、振動確率が5.4×10⁻³を超える領域では、90%信頼水準でLSND異常を排し、Dm²≈0.5 eV²およびsin²(2θ)≈0.05の周辺に非常に狭いパラメータ空間を強く制約した。

ABSTRACT

A search for a nu_e signal, due to a LSND anomaly, with ICARUS at LNGS exposed at the CNGS neutrino beam, is hereby presented. At a distance of 730 km and with the 0-30 GeV energy interval, such anomaly is characterised by fast energy oscillations with probability averaging to 0.5*sin^2(2 theta_new). This is compared with the small but significant backgrounds due to conventional neutrino sources. The ionization along the early part of e.m. showers, has been examined wire by wire to tag the presence of an electron emitted from the vertex of the neutrino event. This is powerful eliminator of gamma converting pairs, which are generally separated from the vertex and are double minimum ionizing. In order to simulate the LSND anomaly, Montecarlo nu_e events have been generated with the nu_mu energy spectrum. These events have been used to estimate the electron identification efficiency due to visibility cuts, found to be ~74%. The present ICARUS experimental sample is based on 1091 neutrino events, about 50% of the data collected up to now. Two events with a clear electron have been found, compared with the expectation of 3.7 events from conventional sources. Within the range of observations, the result is compatible with the absence of LSND anomaly. At 90 and 99% CL this corresponds to 3.41 and 7.13 events with oscillation probabilities 5.4 10^-3 and 1.1 x 10^-2 respectively. This result strongly limits the window for the LSND anomaly, reducing to a narrow region around Dm2=0.5 eV2 and sin^2(2 theta)=0.05, where there is an overall agreement (90 % CL) between the ICARUS limit, the published limit of KARMEN and the published positive signals of LSND and MiniBooNE collaborations. To complete the search of an LSND-like anomaly, especially in the surviving region, we intend to move the ICARUS detector to a much closer distance and to collect new data from a lower energy neutrino.

研究の動機と目的

• 長基準距離ニュートリノビームにおける電子ニュートリノの出現を用いて、LSND異常仮説を検証すること。
• 電子検出における従来のニュートリノ源からのバックグラウンド寄与を低減すること。
• ガンマ線による偽陽性を抑えるために、ワイヤーごとのイオン化プロファイルを用いた電子同定を改善すること。
• LSNDおよびMiniBooNEの信号と整合するステルラーニュートリノ振動に対する厳密な制限を設定すること。
• 今後の実験の指針とすることを目的に、さらなる研究のための狭い妥当なパラメータ領域を同定すること。

提案手法

• モンテカルロシミュレーションを用いて、LSNDに類似した振動をモデル化するためのnu_muエネルギースペクトルを用い、nu_eイベントを生成した。
• 初期シャワー発展におけるイオン化エネルギー損失を、ワイヤー単位で解析し、電子の発生点を同定した。
• 電子同定効率を推定するために可視性カットを適用したが、その値は約74%であった。
• 従来のニュートリノ源からのバックグラウンドを定量的に評価し、観測イベントサンプルから差し引いた。
• 統計解析により、観測された電子イベント数（2個）と予想される従来バックグラウンド（3.7個）を90%および99%信頼水準で比較した。
• 将来の短基準距離への移行を提案し、残存する異常領域への感度を向上させることを目的としている。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ICARUS検出器は、CNGSビームにおいてLSND異常と整合する電子型イベントの過剰を観測するか？
• RQ2 ワイヤーごとのイオン化プロファイルを用いた低エネルギーシャワーにおける電子同定効率はいかほどか？
• RQ3 従来のニュートリノ源からのバックグラウンドは、LSNDパラメータ空間におけるステルラーニュートリノ振動探索にどのように影響するか？
• RQ4 90%および99%信頼水準におけるLSND異常の振動確率の上限は何か？
• RQ5 ICARUS、KARMEN、LSND、MiniBooNEの統合的制約に基づき、LSND異常の残存パラメータ空間はどこにあるか？

主な発見

• 1091個のニュートリノイベントを含むICARUSデータサンプルにおいて、従来源からの予想される3.7個に対して2個の電子型イベントが観測された。
• この結果は、90%信頼水準においてLSND異常の不在と整合しており、上限は3.41イベントに相当する。
• 99%信頼水準では、上限は7.13イベントに相当し、最大の振動確率は1.1×10⁻²に相当する。
• LSND異常は、Dm² = 0.5 eV²およびsin²(2θ) = 0.05の周辺に非常に狭い領域に強く制約された。
• この領域は、ICARUSの制限、KARMENの制限、およびLSNDとMiniBooNEが報告した陽性信号と全体的に整合している。
• 将来のICARUS実験は、短基準距離での実施が計画されており、残存する妥当なパラメータ空間をさらに精査する。