[論文レビュー] Measurement of the muon-neutrino charged-current quasi-elastic cross-section in the SciBooNE experiment

J. L. Alcaraz-Aunion, J. Walding|arXiv (Cornell University)|Sep 30, 2009

Muon and positron interactions and applications被引用数 13

ひとこと要約

本論文は、フェルミラブのSciBooNE実験を用いて、0.6–1.6 GeVエネルギー範囲におけるミューオンニュートリノの charged-current quasi-elastic (CCQE) 戦断面積の初回の絶対測定を提示する。SciBarおよびMRD検出器を組み合わせ、バックグラウンド寄与を制約するための尤度ベースのフィットを採用することで、測定された戦断面積は、軸質量が1.21 GeVのNEUTジェネレータ予測と一致し、系統的不確実性の主な要因はニュートリノフラックスモデル化であることが判明した。

ABSTRACT

SciBooNE is a neutrino and anti-neutrino cross-section experiment at Fermilab, USA. The SciBooNE experiment is summarised and two independent CCQE analyses are described. For one of the analyses, an absolute muon-neutrino CCQE cross-section in the neutrino energy region (0.6-1.6) GeV is shown and the technique developed for such a purpose is also explained. The total cross-section measured over this energy range agrees well with expectations, based on the NEUT event generator and using a value of 1.21 GeV for the CCQE axial mass.

研究の動機と目的

• 0.6–1.6 GeVエネルギー範囲における核標的における$ν_\mu$-CCQE戦断面積の絶対測定。これは将来のオシレーショントランスポート実験にとって極めて重要なエネルギー領域である。
• マルチトラックトポロジーおよびミューオン信頼度レベル（MuCL）カットを用いて、CCQEイベント選択におけるバックグラウンド汚染を低減すること。
• エネルギー依存パラメータによる再重み付けと非-QEバックグラウンドを考慮した尤度ベースのフィットを用いて、絶対戦断面積を抽出すること。
• HARPデータおよびSanford-Wangパラメータ化を用いて、特にニュートリノフラックスモデル化からの系統的不確実性を評価すること。
• 軸質量1.21 GeVを用いたNEUTイベントジェネレータの理論的予測を、データと照合して検証すること。

提案手法

• 本分析では、2つの独立したCCQE選択手法を用い、主な結果はSciBar-MRD分析に基づく。この手法では、MRDにおける崩壊電子のシグネチャーや範囲外出力を通じてミューオンを同定する。
• フィducialボリュームカット、ビームウインドウタイミング、およびバーテックスアクティビティカットを用いて、1トラックおよび2トラック（$\mu$ + p）サンプルにおけるCCQE純度を向上させる。
• 非ミューオントラックを抑制するためにミューオン信頼度レベル（MuCL）変数が用いられ、再構築されたニュートリノエネルギーとエネルギー損失を用いたCCQEカットが非-QEイベントを除外するために適用される。
• 観測データをシミュレートされたイベントにフィットするために尤度関数を最小化する。パラメータ$a_k$は10個のニュートリノエネルギー領域でNEUTシミュレートされた戦断面積を再重み付けし、$F_N$および$a_{bck}$は正規化および非-QEバックグラウンドレベルを調整する。
• 絶対戦断面積は$\sigma_{\nu_\mu}(E_\nu^k) = F_N \times a_k \times \sigma^{NEUT}_{\nu_\mu}(E_\nu^k)$として計算され、ここで$\sigma^{NEUT}$はNEUTが予測する戦断面積である。
• 系統的不確実性は、パイオングラフの生成およびフラックスモデル化を用いて評価され、主な寄与はベリリウム標的における$\pi^+$生成率の不確実性である。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 高統計的ニュートリノ実験で測定された0.6–1.6 GeVエネルギー範囲における絶対$ν_\mu$-CCQE戦断面積は何か？
• RQ2 軸質量1.21 GeVを用いたNEUTジェネレータ予測は、測定された戦断面積とどの程度一致するか？
• RQ3 ニュートリノフラックスの不確実性が戦断面積測定に与える影響は何か？ また、系統的誤差の主な寄与要因は何か？
• RQ4 MuCLおよびCCQEカット技術は、2トラック（$\mu$ + p）および（$\mu$ + $\pi$）サンプルにおける非-QEバックグラウンド抑制にどの程度効果的か？
• RQ5 エネルギー依存パラメータ（$a_k$）による再重み付けを含む尤度フィットは、データから絶対戦断面積を正確に抽出できるか？

主な発見

• 0.6–1.6 GeV範囲における測定された$ν_\mu$-CCQE戦断面積は、軸質量1.21 GeVを用いたNEUTジェネレータ予測と一致している。
• 1トラックサンプルのCCQE純度は65.2%、効率は52.9%であり、2トラック（$\mu$ + p）サンプルでは純度68.5%、効率11.1%を達成した。
• 非-QEバックグラウンドを制約するために用いられた2トラック（$\mu$ + $\pi$）サンプルの純度は32.3%であり、データ/MC比は1.14であった。
• 系統的不確実性の主な要因はニュートリノフラックスモデル化であり、特にベリリウム標的における$\pi^+$生成率の不確実性が支配的である。
• 全エネルギー範囲にわたり、戦断面積測定値はNEUT予測と一致しており、すべてのサンプルでデータ/MC比が1に3%以内に収まっていた。
• 再構築されたミューオンの平均寿命は$2.003 \pm 0.047$ $\mu$sであり、既知の値と一致しており、ミューオン識別および崩壊電子タグの妥当性が裏付けられた。