[論文レビュー] Measurement of the Electron-Neutrino Charged-Current Inclusive Cross- Section on Argon in MicroBooNE

P. Abratenko|arXiv (Cornell University)|Apr 7, 2021

Neutrino Physics Research参考文献 32被引用数 32

ひとこと要約

本論文は、マイクロブーン液体アルゴンタイムプロジェクションチェンバ（LArTPC）を用いて、アルゴンに対する電子ニュートリノおよび反電子ニュートリノのフラックス平均化されたcharged-current包含断面積の初回測定を報告する。2.4×10²⁰プロトン/ターゲットの露出量を用い、80個のνₑ + ν̄ₑイベントを観測し、Eν > 250 MeVに対して断面積6.84 ±1.51（統計）±2.33（系）×10⁻³⁹ cm²/核子を測定した。また、表面に設置されたLArTPCにおいて、dE/dxに基づく完全自動化された電子/光子識別技術を実証し、将来の短基長ニュートリノ実験への応用を検証した。

ABSTRACT

<strong>Parallel Flash Talk</strong> at the<br> "XIX International Workshop on Neutrino Telescopes"<br> on line - 18-26 February, 2021

研究の動機と目的

• 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、アルゴンに対する電子ニュートリノおよび反電子ニュートリノのフラックス平均化されたcharged-current包含断面積を測定すること。
• 表面に設置されたLArTPCにおいて、dE/dxに基づく完全自動化された粒子識別技術を用いて、電子および光子シャワーを区別すること。
• ニュートリノ振動解析における不確実性を低減するため、アルゴン上でのνₑ相互作用の高精度・直接的測定を提供すること。
• 宇宙線背景が存在する中で、表面LArTPC検出器における電子ニュートリノ再構築の可能性を検証すること。
• フェルミルラボの短基長ニュートリノ（SBN）計画を支援し、アルゴン中での電子ニュートリノ相互作用の理解を向上させること。

提案手法

• 本測定は、オフアクシス・ニューミビームに露出したマイクロブーン検出器のデータを用い、2.4×10²⁰プロトン/ターゲットの統合露出量を有する。
• 再構築されたνₑ + ν̄ₑ相互作用は、最終状態の電子または光子を有するcharged-currentイベントとして、頂点再構築とシャワーのトポロジーを組み合わせて同定する。
• エネルギー損失量（単位長さあたりのエネルギー損失）と相互作用点からの距離に基づき、dE/dxに基づく完全自動化された粒子識別手法を適用し、電子と光子を区別する。
• 最終状態電子の運動量に48 MeV/cの運動学的しきい値を適用し、電子の全方向の位相を含む。
• 宇宙線および誤識別された光子の背景は、詳細なシミュレーションとデータ駆動型キャリブレーション（宇宙線タグ付き、レーザーキャリブレーションを含む）を用いて抑制する。
• 断面積は、再構築エネルギースペクトルに対するビン化された最尤フィットを用いて抽出され、フラックスおよび検出器応答はGENIEおよびNuWroシミュレーションでモデル化される。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 250 MeV以上のエネルギー範囲において、アルゴンに対するフラックス平均化されたcharged-current包含断面積は、電子ニュートリノおよび反電子ニュートリノでどの程度か？
• RQ2 宇宙線背景が存在する表面LArTPCにおいて、dE/dxに基づく完全自動化技術が、電子および光子シャワーを信頼性高く区別できるか？
• RQ3 測定されたνₑ + ν̄ₑ断面積は、GENIEおよびNuWroの理論的予測とどの程度一致するか？
• RQ4 アルゴン中で観測された有効なνₑ + ν̄ₑイベント数はいくつで、過去の測定と比較してどの程度か？
• RQ5 現実的な背景条件下において、表面LArTPCで電子ニュートリノ相互作用をどの程度再構築できるか？

主な発見

• Eν > 250 MeVのエネルギー範囲において、アルゴン上でのフラックス平均化されたcharged-current包含断面積は、6.84 ±1.51（統計）±2.33（系）×10⁻³⁹ cm²/核子として測定された。
• 合計80個のνₑ + ν̄ₑイベントが観測され、これはアルゴン中で観測された最大のサンプルである。
• 本測定は、LArTPCニュートリノ検出器において、dE/dxに基づく粒子識別技術を完全自動化して初めて適用した事例を示した。
• 結果は、GENIEおよびNuWroの両方のイベントジェネレータによる理論的予測と良好に一致した。
• 顕著な宇宙線背景が存在する中でも、本分析は表面LArTPCにおける電子ニュートリノ相互作用の再構築に成功し、将来的な実験への可能性を検証した。
• 本測定は、短基長ニュートリノ振動実験にとって重要な入力情報を提供し、νₑフラックスおよび断面積モデルの不確実性を低減した。