[論文レビュー] Measuring Active-to-Sterile Neutrino Oscillations with Neutral Current Coherent Neutrino-Nucleus Scattering

A. J. Anderson, J. M. Conrad+6 more|DSpace@MIT (Massachusetts Institute of Technology)|Jan 18, 2012

Neutrino Physics Research被引用数 4

ひとこと要約

本論文は、Δm² ~ 1 eV² の領域で活性ニュートリノからステアーリルニュートリノへの振動を直接探査するため、中性荷電現在のコherentニュートリノ-核子散乱を用いたサイクロトロン型加速器実験を提案している。低しきい値のゲルマニウムまたは液体アルゴン検出器を用いることで、LSNDの最適適合質量差分に3.8–4.8σの感度を達成し、荷電現在探索とは対照的に純粋で補完的なプローブを提供し、ステアーリルニュートリノ混合パラメータに対する決定的な制約を可能にする。

ABSTRACT

Light sterile neutrinos have been introduced as an explanation for a number of oscillation signals at $Δm^2 \sim 1$ eV$^2$. Neutrino oscillations at relatively short baselines provide a probe of these possible new states. This paper describes an accelerator-based experiment using neutral current coherent neutrino-nucleus scattering to strictly search for active-to-sterile neutrino oscillations. This experiment could, thus, definitively establish the existence of sterile neutrinos and provide constraints on their mixing parameters. A cyclotron-based proton beam can be directed to multiple targets, producing a low energy pion and muon decay-at-rest neutrino source with variable distance to a single detector. Two types of detectors are considered: a germanium-based detector inspired by the CDMS design and a liquid argon detector inspired by the proposed CLEAR experiment.

研究の動機と目的

• 中性荷電現在のコherent散乱を用いて、ステアーリルニュートリノの存在をモデルに依存しない直接的テストを提供すること。
• 荷電現在探索では活性成分とステアーリル成分の両方に敏感であるため、その制限を克服し、純粋な活性からステアーリルへの振動感度を可能にすること。
• 1つの検出器を複数の基準長で用いることで、LSNDおよび原子炉異常のパrameter空間を高い有意水準で探査すること。
• 低エネルギー核反発を最適化した既存または近い将来の検出器技術—ゲルマニウムおよび液体アルゴン—を活用すること。
• 最小限のモデル依存性でステアーリルニュートリノ混合パラメータを測定するための新しい実験的手法を確立すること。

提案手法

• 複数の標的に向かってサイクロトロン型プロトンビームを照射し、低エネルギーの中間子およびミューオンを生成することで、可変な基準長を持つ「静止時の崩壊（DAR）」ニュートリノ源を実現する。
• 中性荷電現在のコherentニュートリノ-核子散乱を採用し、標準模型では高い断面積を持ち、WIMPダークマター検出と同一の反発エネルギーシグナルを示す。
• 2種類の検出器タイプを用いる：CDMSにインspiredされたゲルマニウムベースの検出器（しきい値 ~10 keV）と、CLEARを模した液体アルゴン検出器（しきい値 ~30 keV）。
• 散乱率の距離依存性を測定することで、振動シグナルを特定し、検出器を移動させずに複数の基準長を活用する。
• 混合パラメータの片側ラスタースキャンを用い、Δχ²しきい値を用いて感度限界を計算する。
• 出現に対しては P(να → νβ≠α) = 4|Uα4|²|Uβ4|² sin²(1.27Δm₄₁²L/E)、消失に対しては P(να → ν¬α) = 4|Uα4|²(1−|Uα4|²) sin²(1.27Δm₄₁²L/E) を用いて振動確率を計算する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 中性荷電現在のコherentニュートリノ-核子散乱は、活性からステアーリルニュートリノへの振動を純粋で直接的なプローブとして提供できるか？
• RQ2 LSND異常パラメータ空間に、Δm² ~ 1.2 eV² の領域でどの程度の感度を有するか？
• RQ3 検出器のしきい値および有効質量が、コherent散乱に起因する低エネルギー核反発イベントの感度にどのように影響するか？
• RQ4 この手法は、高い有意水準でLSNDの最適適合パラメータを除外または確認できるか？
• RQ5 ステアーリルニュートリノ混合パラメータに対する感度において、荷電現在探索と比較して、この手法はどのように異なるか？

主な発見

• ベースラインの物理学走行シナリオにおけるゲルマニウムベースの検出器は、LSNDの最適適合質量差分（Δm² = 1.2 eV²）に対して3.8σの感度を達成する。
• 専用のゲルマニウムベース走行では、LSNDの最適適合Δm²に対して4.8σの感度に達し、3.8σを上回る。
• 100 kgのゲルマニウム検出器は、30 keVの液体アルゴン検出器（456 kg）よりも優れた性能を示す。これは10 keVの低いしきい値のおかげで、低反発イベントの収集が向上するため。
• Δm² ~ 1.2 eV² を仮定した場合、90%信頼区間のLSNDパラメータ空間のほぼ全領域を3σレベルで除外可能である。
• この手法は、特にsin²2θeeに関して、Δm² ≥ 1.5 eV² の領域で原子炉異常の許容パラメータ空間の広い領域をカバーする。このパラメータはΔm²にほぼ依存しない。
• この手法は、荷電現在探索とは補完的であり、唯一の純粋な活性からステアーリルへの振動感度を提供する。また、非標準的ニュートリノ相互作用や弱い混合角に対しても感度を有する。