[論文レビュー] First MINOS+ Data and New Results from MINOS

A. Sousa|arXiv (Cornell University)|Feb 26, 2015

Neutrino Physics Research被引用数 5

ひとこと要約

本論文は、735 kmの基準距離とアップグレードされた検出器を用いてニュートリノ振動の測定を改善するMINOS+実験の初回結果を提示する。ステルレニュートリノ混合および非標準的相互作用に対する制約が強化され、$|\Delta m^2_{43}| \lesssim 1$ eV$^2$ の範囲でLSNDおよびMiniBooNEが許容する領域が90%信頼水準で除外された。これは、陽性の出現信号との間に緊張を高めている。

ABSTRACT

Following a 7-year run with the MINOS experiment from 2005 to 2012, the MINOS+ long-baseline neutrino experiment started operations in September 2013. Utilizing the MINOS Near and Far Detectors at Fermilab and northern Minnesota, respectively, and measuring the new medium-energy NuMI neutrino beam over baseline of 735 km, MINOS+ has accumulated an exposure of $1.7 imes 10^{20}$ protons-on-target. In this paper, we present preliminary results from the MINOS+run. In addition, we report on improved results from a three-neutrino flavor analysis of the full $14 imes 10^{20}$ MINOS-era beam sample, and the combined full MINOS and MINOS+ atmospheric neutrino samples, corresponding to an exposure of 48.7 kiloton-years increased by 28% with respect to previously published MINOS measurements. The analysis combines the measurements of muon neutrino disappearance and appearance into electron neutrinos in the beam and atmospheric samples. Furthermore, we present results from a new search for sterile neutrinos in the complete MINOS NuMI sample. A 3+1 neutrino mixing model with one sterile neutrino is assumed. Neutrino mixing at the ND baseline ($\sim 1$ km), relevant for values of the additional mass eigenstate $m_4\gtrsim 1$ eV, is included for the first time in the analysis of Far and Near Detector data from a long-baseline neutrino experiment. Finally, new limits on non-standard neutrino interactions are obtained from measurements of electron neutrino appearance in the full MINOS beam sample.

研究の動機と目的

• MINOSおよびMINOS+のビームおよび大気ニュートリノサンプルを統合して、3ニュートリノ振動パラメータの測定精度を向上させること。
• 全MINOS NuMIビームサンプルを用いて、$3+1$混合モデルにおけるステルレニュートリノの探索を行うこと。
• ビームデータにおける電子ニュートリノ出現を用いて、非標準的ニュートリノ相互作用（NSI）の新たな制限を設定すること。
• 近接検出器の歪みが振動解析に与える影響を評価し、$m_4 \gtrsim 1$ eV のステルレ状態を含むこと。
• ニュートリノおよび反ニュートリノ走行モードの両方において、$\nu_\mu$の消失がステルレニュートリノへと進行する場合のMINOS+の感度を評価すること。

提案手法

• ビームおよび大気ニュートリノサンプルを統合した3ニュートリノ振動解析では、遠方／近接検出器のイベント数比を用いて、システムティックな不確実性を相殺する。
• 振動フィットには $|\Delta m^2_{32}|$, $|\Delta m^2_{43}|$, $\theta_{23}$, $\theta_{24}$, $\theta_{34}$ のパラメータが含まれ、26パラメータのシステムティック不確実性共分散行列が使用される。
• ニュートリノ振動は、近接検出器（1.04 km）から遠方検出器（735 km）へと計算され、ビームエネルギースペクトルおよび発生点距離の効果が考慮される。
• Feldman-Cousinsの統合的アプローチにより、対数尤度関数の非ガウス性を補正し、90%信頼水準の除外限界を導出する。
• ステルレニュートリノの制限は、$\nu_\mu$の消失から得られ、近接検出器のイベント数に歪みを反映するためのペナルティ項が導入される。
• NSIの制限は、ビームサンプルにおける電子ニュートリノ出現から抽出され、荷電現在および中性現在の遠方／近接比を統合してフィットする。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 MINOSおよびMINOS+のビームおよび大気ニュートリノサンプルを統合した結果、$|\Delta m^2_{32}|$ および $\sin^2\theta_{23}$ の更新された最適適合値は何か？
• RQ2 $|\Delta m^2_{43}| \lesssim 1$ eV$^2$ の範囲で、$\nu_\mu$ がステルレニュートリノへと消失する現象はどの程度制限されているか？
• RQ3 MINOS+の結果は、ステルレニュートリノパラメータ空間においてLSNDおよびMiniBooNEの陽性信号とどの程度一致するか？
• RQ4 ビームデータが非標準的ニュートリノ相互作用、特に $\epsilon_{e\tau}$ に対してどの程度の新たな制限をもたらすか？
• RQ5 ニュートリノおよび反ニュートリノ走行モードの両方において、MINOS+はステルレニュートリノ混合に対してどの程度の感度を持つと予想されるか？

主な発見

• 最適適合値は $|\Delta m^2_{32}| = 2.37^{+0.11}_{-0.07} \times 10^{-3}$ eV$^2$ および $\sin^2\theta_{23} = 0.43^{+0.19}_{-0.05}$ であり、反転階層と $\theta_{23}$ の下位オクタントを支持する。
• 90%信頼水準での $\theta_{24}$ の除外限界は、$|\Delta m^2_{43}|$ に対して4桁の範囲をカバーし、$|\Delta m^2_{43}| \lesssim 1$ eV$^2$ の範囲で最も強い制約が得られる。
• MINOSとBugeyの限界を統合した結果、$|\Delta m^2_{43}| < 1$ eV$^2$ の範囲でLSNDおよびMiniBooNEが許容する領域が90%信頼水準で除外された。これは、出現信号との間の緊張を高めている。
• 12 \times 10^{20} プロトン・オン・ターゲットの露出量において、MINOSの現在の限界を2倍改善できる。
• ニュートリノおよび反ニュートリノ走行モードの両方において、$\nu_\mu$ がステルレニュートリノへと消失する現象に対するMINOS+の感度が向上した。
• ビームサンプルにおける電子ニュートリノ出現から、従来のMINOS結果よりも精度を高めた非標準的ニュートリノ相互作用に関する新たな制限が得られた。