[論文レビュー] Radiative decay of heavy neutrinos at MiniBooNE and MicroBooNE

Luis Alvarez-Ruso, Eduardo Saul-Sala|arXiv (Cornell University)|Apr 30, 2017

Particle physics theoretical and experimental studies被引用数 6

ひとこと要約

本論文は、MiniBooNEの電子的特徴を示す過剰事象が、50 MeVの真性ニュートリノ（$u_h$）の電磁的および弱い相互作用による$u_-u$核反応で生成され、その後放射性崩壊によって生じる可能性を提案している。モデルは、$u_h$崩壊に起因する特徴的な光子エネルギーおよび角度分布を予測し、MicroBooNEが光子を識別できる能力を有するため、強い信号が期待される。これは異常を説明する検証可能なメカニズムを提供する。

ABSTRACT

The MiniBooNE experiment reported results from the analysis of $ν_e$ and $\overlineν_e$ appearance searches, which showed an excess of signal-like events at low reconstructed neutrino energies with respect to the expected background. A proposed explanation for this anomaly is based on the existence of a heavy ($\sim 50$~MeV) sterile neutrino. These $ν_h$ would be produced by $ν_μ$ electromagnetic and neutral current interactions. A fraction of them decays radiatively inside the detector. The emitted photon is misidentified as an electron or positron in MiniBooNE. We have investigated the $ν_h$ production by coherent and incoherent electroweak interactions at the MiniBooNE and MicroBooNE targets, CH$_2$ and Ar, respectively. Studying the $ν_h$ propagation inside the detector, we obtain the energy and angular distributions of emitted photons for a choice of model parameters. The distinctive shape and total number of photon events from this mechanism at MicroBooNE makes its experimental investigation possible.

研究の動機と目的

• 50 MeVの重い真性ニュートリノ（$m_h \sim 50$ MeV）の放射性崩壊が、MiniBooNEの電子的特徴を示す過剰事象を説明できるかを調査すること。
• MiniBooNEの$^{12}$C標的に対する$\nue_\nue$-核反応およびMicroBooNEの$^{40}$Ar標的に対する$\nue_\nue$-核反応における$\nue_h$の電磁的および弱い相互作用による生成断面積を計算すること。
• $\nue_h$の検出器内での伝播および放射性崩壊をモデル化し、光子エネルギーおよび角度分布を予測すること。
• 検出器効率および受容性補正を考慮した上で、理論的光子イベントスペクトルとMiniBooNEのデータを比較すること。
• MicroBooNEが有する優れた光子識別能力を活用して、$\nue_h$の放射性崩壊仮説を実験的に検証可能かどうかを評価すること。

提案手法

• 電磁的生成をモデル化するため、遷移磁気モーメント$\mu_{\text{tr}}^\mu = 2.4 \times 10^{-9} \mu_B$を用いた有効ラグランジアンを使用した。
• 電子-核弾性散乱データから導出された核の形因子を用いて、coherentおよびincoherentな$\nue_h$生成断面積を計算した。
• 有限核における非一様散乱を、粒子-空孔励起を介して局所密度近似でモデル化した。
• 標準的な弱い相互作用カレントを用い、軸対称形因子（$M_A = 1$ GeV）と電磁気データに一致するベクトル形因子を採用した。
• $\nue_h$の伝播および放射性崩壊を、寿命$\tau = 5 \times 10^{-9}$ sを仮定して追跡した。光子は$\nue_h$スピンと反対方向に放出されると仮定した。
• 測定されたニュートリノフラックスおよび検出器固有の効率補正を用いて、MiniBooNEおよびMicroBooNEにおける光子エネルギーおよび角度分布をシミュレーションした。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 50 MeVの真性ニュートリノの放射性崩壊が、ニュートリノ振動を仮定せずに、MiniBooNEの電子的特徴を示す過剰事象を説明できるか？
• RQ2 $\nu_\mu$-核反応における$^{12}$Cおよび$^{40}$Arでの$\nue_h$生成に、電磁的および弱い相互作用がどのように寄与するか？
• RQ3 MiniBooNEおよびMicroBooNE検出器内での$\nue_h$放射性崩壊に起因する予測される光子エネルギーおよび角度分布は何か？
• RQ4 検出器効率が、MiniBooNEにおける予測された光子的イベントと観測されたイベントとの一致にどのように影響するか？
• RQ5 MicroBooNEが有する光子識別能力のおかげで、$\nue_h$放射性崩壊シグナルを通常のバックグラウンドから区別できるか？

主な発見

• $^{12}$Cにおける電磁的coherent生成が低$q^2$領域で断面積を支配し、光子の角度分布が強く前向きに集中する。
• MiniBooNEの$\nu$モードにおける過剰事象はモデルで低く見積もられているが、$\overline{\nu}$モードでは良好な一致を示しており、パラメータの調整の余地があることを示唆している。
• 電磁的coherent寄与は、MiniBooNEのデータと整合しない狭い角度分布を生じるが、パラメータを調整すれば矛盾を解消できる可能性がある。
• 非一様弱い相互作用プロセスが弱い断面積を支配し、$\nue_h$生成に顕著な寄与をしている。
• MicroBooNEでは、$\nue_h$崩壊に起因する明確な光子イベントスペクトルが予測され、形状および総イベント数が標準的バックグラウンドと明確に区別可能である。
• $N_{\text{POT}} = 6.6 \times 10^{20}$の条件下で、MicroBooNEにおける光子イベント数は、現在の感度で実験的に検証可能であるほど十分に大きい。