[論文レビュー] Search for an anomalous excess of charged-current $ν_e$ interactions without pions in the final state with the MicroBooNE experiment

MicroBooNE collaboration, P. Abratenko+189 more|arXiv (Cornell University)|Oct 26, 2021

Particle physics theoretical and experimental studies被引用数 6

ひとこと要約

本論文は、フェルミラブのMicroBooNE液体アルゴンタイムプロジェクションチェンバー（LArTPC）を用いて、最終状態にパイオンを含まない異常な電子ニュートリノ（$\nu_e$）相互作用の探索を報告する。解析の結果、予測された内在的 $\nu_e$ 相互作用を超える顕著な過剰は観測されなかったが、低エネルギー領域における1e0p0$\pi$ チャネルにやや高いイベント数の増加が観測され、90%信頼区間で信号強度が $\mu = 1.1$ までカバーされる可能性がある。一方、より感度の高い1eNp0$\pi$ チャネルでは、90%信頼水準で $\mu < 0.82$ の上限が得られ、eLEEモデルは97.9%信頼水準で否定された。

ABSTRACT

This article presents a measurement of $ν_e$ interactions without pions in the final state using the MicroBooNE experiment and an investigation into the excess of low-energy electromagnetic events observed by the MiniBooNE collaboration. The measurement is performed in exclusive channels with (1$e$N$p$0$π$) and without (1$e$0$p$0$π$) visible final-state protons using 6.86$ imes 10^{20}$ protons on target of data collected from the Booster Neutrino Beam at Fermilab. Events are reconstructed with the Pandora pattern recognition toolkit and selected using additional topological information from the MicroBooNE liquid argon time projection chamber. Using a goodness-of-fit test the data are found to be consistent with the predicted number of events with nominal flux and interaction models with a $p$-value of 0.098 in the two channels combined. A model based on the low-energy excess observed in MiniBooNE is introduced to quantify the strength of a possible $ν_e$ excess. The analysis suggests that if an excess is present, it is not consistent with a simple scaling of the $ν_e$ contribution to the flux. Combined, the 1$e$N$p$0$π$ and 1$e$0$p$0$π$ channels do not give a conclusive indication about the tested model, but separately they both disfavor the low-energy excess model at $&gt;$90% CL. The observation in the most sensitive 1$e$N$p$0$π$ channel is below the prediction and consistent with no excess. In the less sensitive 1$e$0$p$0$π$ channel the observation at low energy is above the prediction, while overall there is agreement over the full energy spectrum.

研究の動機と目的

• MicroBooNE LArTPC検出器を用いて、最終状態にパイオンを含まない異常な電荷現在 $\nu_e$ 相互作用を探索すること。
• フェルミラブブースター・ニュートリノビームからの内在的 $\nu_e$ 相互作用の予測とデータを比較することで、電子ニュートリノ出現（eLEE）モデルを検証すること。
• 複数のサイドバンド制御領域を用いて、検出器応答およびニュートリノ相互作用モデルの妥当性を検証すること。
• Feldman-Cousins信頼区間を用いて、eLEEモデルの信号強度 $\mu$ を測定すること。
• 低エネルギー領域の電子型イベントのデータが、内在的 $\nu_e$ ビーム成分と整合しているか、あるいは新しい物理現象の兆候であるかを評価すること。

提案手法

• フェルミラブブースター・ニュートリノビーム（BNB）に露出したMicroBooNE LArTPCのデータを用い、総露出量は約1.8×10^20プロトン/ターゲットである。
• 主な信号選別として、1e0p0$\pi$（1個の電子、0個の陽子、0個のパイオン）および1eNp0$\pi$（1個の電子、少なくとも1個の陽子、0個のパイオン）を用いる。
• 検出器応答、ニュートリノフラックス、および断面積のモデル化を検証するため、サイドバンド領域を用いる。特に、$\nu_\mu$ 相互作用を用いて $\nu_e$ フラックスを制約する際に重要である。
• データと内在的 $\nu_e$ 予測との適合度を検証するための適合度テストを実施し、10–20%のレベルで整合性があることが判明した。
• 統計的およびシステムティックな不確実性を考慮して、Feldman-Cousins手順を用いてeLEEモデルの信号強度 $\mu$ について90%信頼区間を抽出した。
• イベントのトポロジーを特徴付けるために、電子の角度や主要な陽子の運動エネルギーなどの運動学的分布を分析し、感度を向上させた。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 MicroBooNE検出器において、最終状態にパイオンを含まない異常な電荷現在 $\nu_e$ 相互作用が顕著に過剰に観測されるか？
• RQ2 1e0p0$\pi$ チャネルおよび1eNp0$\pi$ チャネルにおける観測データが、内在的 $\nu_e$ ビーム成分の予測と比較してeLEEモデルを支持するか？
• RQ3 最終状態の電子および陽子の運動学的性質は、潜在的な新しい物理現象の感度にどのように影響を与えるか？
• RQ4 90%信頼水準において、eLEEモデルの信号強度 $\mu$ はどの程度制限されるか？
• RQ5 1e0p0$\pi$ チャネルの低エネルギー領域における観測イベントレートは、内在的 $\nu_e$ 予測と整合的か、それとも増加の兆候であるか？

主な発見

• データは内在的 $\nu_e$ 相互作用モデルと整合的であり、適合度テストにより10–20%のレベルで適合していることが示された。
• 統計的・純度の両方が高い1eNp0$\pi$ チャネルでは、eLEEモデルの信号強度について90%信頼水準で $\mu < 0.82$ の上限が得られた。
• 1e0p0$\pi$ チャネルでは、最低エネルギー領域で予測を上回るイベント数が観測され、90%信頼区間で $\mu$ 値が1.1までカバーされる可能性がある。これは低エネルギー過剰の兆候を示唆している。
• 1eNp0$\pi$ チャネルでは、eLEEモデルが97.9%信頼水準で否定された。これはこのチャネルにおいてデータと強い矛盾があることを示している。
• 両チャネルの統合解析では、eLEEモデルが内在的 $\nu_e$ モデルよりも強く支持されなかったが、感度の面では1eNp0$\pi$ チャネルが支配的である。
• サイドバンドの検証により、すべての制御領域でデータとシミュレーションの間に良好な一致が得られ、検出器およびフラックスモデルの信頼性が裏付けられた。