[論文レビュー] First constraints on light sterile neutrino oscillations from combined appearance and disappearance searches with the MicroBooNE detector

MicroBooNE collaboration, P. Abratenko+185 more|arXiv (Cornell University)|Oct 18, 2022

Neutrino Physics Research被引用数 4

ひとこと要約

本論文は、MicroBooNE実験において、出現チャンネルと消失チャンネルの両方を用いて、軽量のステルシルニュートリノ振動の最初の統合的制約を提示する。複数の最終状態でのニュートリノイベントを分析し、Feldman-Cousins統計的手法を適用することで、$\Delta m^2_{41}$--$\sin^2 2\theta_{\mu e}$パラメータ空間の顕著な領域が除外され、MiniBooNEの異常と2-3σの不一致を示し、純粋な$\nu_e$過剰の説明を否定する。

ABSTRACT

We present a search for eV-scale sterile neutrino oscillations in the MicroBooNE liquid argon detector, simultaneously considering all possible appearance and disappearance effects within the $3+1$ active-to-sterile neutrino oscillation framework. We analyze the neutrino candidate events for the recent measurements of charged-current $ν_e$ and $ν_μ$ interactions in the MicroBooNE detector, using data corresponding to an exposure of 6.37$ imes$10$^{20}$ protons on target from the Fermilab booster neutrino beam. We observe no evidence of light sterile neutrino oscillations and derive exclusion contours at the $95\%$ confidence level in the plane of the mass-squared splitting $Δm^2_{41}$ and the sterile neutrino mixing angles $θ_{μe}$ and $θ_{ee}$, excluding part of the parameter space allowed by experimental anomalies. Cancellation of $ν_e$ appearance and $ν_e$ disappearance effects due to the full $3+1$ treatment of the analysis leads to a degeneracy when determining the oscillation parameters, which is discussed in this paper and will be addressed by future analyses.

研究の動機と目的

• MicroBooNE検出器において、$\nu_e$出現および$\nu_\mu$/$\nu_e$消失信号の両方を用いて、$3+1$ステルシルニュートリノ振動モデルを検証すること。
• MiniBooNEの異常とその後のnull結果との間の不一致を、完全な振動フレームワーク効果を含めることで解消すること。
• CC、NC、$\pi^0$の複数のニュートリノ相互作用チャンネルを統合的にフィットすることで感度を向上させること。
• MiniBooNEの$\nu_e$過剰が$3+1$モデルの下でMicroBooNEデータと整合するかを評価すること。
• $\Delta m^2_{41}$--$\sin^2 2\theta_{\mu e}$および$\Delta m^2_{41}$--$\sin^2 2\theta_{ee}$平面における95%信頼水準での更新された除外限界を提供すること。

提案手法

• 7つのニュートリノ選別チャンネル（完全・部分的含まれる$\nu_e$ CC、$\nu_\mu$ CC、$\pi^0$を伴う$\nu_\mu$ CC、NC $\pi^0$イベント）に対して、統合尤度フィットを実施する。
• Feldman-Cousins手法を用いて$\Delta\chi^2$分布を計算し、仮説検定における適切な統計的カバレッジを保証する。
• 3+1ニュートリノ振動フレームワーク内において、$\nu_e$出現および$\nu_\mu$/$\nu_e$消失効果の両方を含める。
• BNBおよびNuMIビームからのイベント重み付きニュートリノフラックスを用いて信号の期待値をモデル化し、$\nu_\mu/\nu_e$比はそれぞれ約185および約25となる。
• Asimovデータセットからの感度曲線を導出する一方で、95%信頼水準でのデータ除外領域を$CL_s$手法を用いて計算する。
• 結果を先行実験（LSND、KARMEN、MiniBooNE、Neutrino-4、ガリウム異常）および原子炉ベースの実験（STEREO、PROSPECTなど）と比較する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 MiniBooNEの$\nu_e$過剰が、出現および消失効果の両方を含めた$3+1$ステルシルニュートリノ振動モデルと整合するか？
• RQ2 MicroBooNEデータが95%信頼水準で、$\Delta m^2_{41}$--$\sin^2 2\theta_{\mu e}$パラメータ空間のどの領域を除外するか？
• RQ3 ステルシルニュートリノ振動の文脈で、MicroBooNEの結果はLSND、ガリウム異常、Neutrino-4の結果とどのように比較できるか？
• RQ4 観測された$\nu_e$ CCイベントの不足は、MiniBooNE異常を純粋な$\nu_e$出現説明でどれほど否定するか？
• RQ5 MicroBooNEとMiniBooNEの間の不一致は、$\nu_e$低エネルギー過剰およびステルシルニュートリノ振動探索において、どの程度の重要性を持つか？

主な発見

• MicroBooNEは、MiniBooNE異常によって以前に示唆されたパラメータ空間の大部分を除外し、特に$\Delta m^2_{41} \sim 0.1-10$ eV$^2$範囲で顕著である。
• MiniBooNEの2σ許容領域と比較した場合、$\nu_e$出現のみのシナリオは2-3σで不利益であることが示され、純粋な$\nu_e$過剰モデルとの不一致を示している。
• 95%信頼水準でのデータ除外領域は、$\Delta m^2_{41}$--$\sin^2 2\theta_{\mu e}$平面において、$\Delta m^2_{41} \sim 1$ eV$^2$で$\sin^2 2\theta_{\mu e} \gtrsim 0.02$の値を除外する。
• $\nu_e$消失のみのシナリオでは、$\Delta m^2_{41} \sim 1$ eV$^2$で$\sin^2 2\theta_{ee} \gtrsim 0.01$が除外され、原子炉異常の制約と整合的である。
• $\nu_e$低エネルギー過剰およびステルシルニュートリノ振動パラメータ空間において、MicroBooNEとMiniBooNEの間で2-3σの不一致が観測された。
• MicroBooNEの結果は、$\nu_e$出現のみの近似においてLSNDの90%信頼水準許容領域と整合せず、さらにMiniBooNE異常のステルシルニュートリノ説明を疑問視する。