[論文レビュー] Searches for sterile neutrinos using the T2K off-axis near detector

Debra Dewhurst|arXiv (Cornell University)|Apr 30, 2015

Neutrino Physics Research参考文献 1被引用数 3

ひとこと要約

本研究では、T2Kのオフアクシス近接検出器（ND280）を用いて、5.9×10²⁰プロトン/ターゲットのデータを分析し、短基底長スケールの oscillations を通じてステルイルニュートリノを探索した。帰無仮説のp値は0.085であり、有効な質量二乗差Δm²ₑₑ > 7 eV²/c⁴およびsin²2θₑₑ > 0.3の領域において、3+1ステルイルニュートリノモデルにおけるガリウム異常および反復器異常の一部を95%信頼水準で除外した。

ABSTRACT

In the last decades, the results from a number of short-baseline neutrino experiments and the reanalysis of previous reactor experiments with updated antineutrino fluxes suggest some incompatibility with the standard three-neutrino model. A possible solution to these anomalies is the existence of neutrinos that do not interact via the electroweak force, known as sterile neutrinos. The existence of sterile neutrinos can be investigated with the T2K Experiment. Here we present a search for the disappearance of electron neutrinos over a baseline of 280 m using the T2K off-axis near detector. The data analysed corresponds to an exposure of $5.9 imes 10^{20}$ protons on target. The region $\sin^2 2 θ> 0.2$ and $Δm^2 > 8~ extrm{eV}^2$ is excluded at 95% CL. We also present an introduction to a new analysis looking for muon neutrino disappearance with the T2K near detector, which is in its early stages but promises to have interesting results in 2015.

研究の動機と目的

• 短基底長ニュートリノ実験におけるガリウム異常および反復器異常の解決策としてのステルイルニュートリノの存在を調査すること。
• T2Kのオフアクシス近接検出器（ND280）を用い、νₑ消失に注目して3+1ステルイルニュートリノモデルをテストすること。
• 5.9×10²⁰プロトン/ターゲットのデータを用いて、ステルイルニュートリノ混合のパラメータ空間を制約すること。
• ステルイルニュートリノ振動に対する感度を向上させるために、νₘu消失のための新しい解析手法を開発すること。
• 専用のコントロールサンプルおよびνₘu CC相互作用測定を通じて、システムティックな不確実性を低減すること。

提案手法

• 荷電-currentクーリエラティブラティビティ（CCQE）相互作用を仮定した再構築ニュートリノエネルギー分布のボックス化されたモンテカルロテンプレートを構築する。
• 3+1モデルを用いて、イベントごとに重み付けされたテンプレートを用い、振動確率を適用する：P(νₑ → νₑ) = 1 − sin²2θₑₑ × (1.27Δm²₄₁Lν / E)（Lνはkm、EはGeV単位）。
• システムティックな不確実性をガウス制約付きのネイジブパラメータとして含めたボックス化された尤度比フィットを実行する。
• 中性荷電およびCCDIS過程からのバックグラウンドを測定するために、νₘu → π⁰相互作用が豊富なコントロールサンプルを用いる。
• νₘu CC相互作用をCC0π、CCπ⁺、CCOthに分割し、フラックスおよび断面積の不確実性を制約する。
• 同じ尤度フレームワークを、CCQEが支配的なイベントを用いた予備のνₘu消失解析に適用する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ND280における観測されたνₑイベント分布は、ステルイルニュートリノ振動と整合する短基底長スケールのνₑ消失の証拠を示しているか？
• RQ2 T2Kのオフアクシス近接検出器は、3+1ステルイルニュートリノパラメータ空間のどの程度の領域を除外できるか？
• RQ3 フラックスおよび断面積からのシステムティックな不確実性は、νₑおよびνₘu消失への感度にどのように影響するか？
• RQ4 完全なシステムティック不確実性を含めた3+1モデルにおいて、T2K ND280検出器のνₘu消失に対する期待される感度はどの程度か？
• RQ5 ガリウムおよび反復器異常に関連するパラメータ空間の一部をデータは除外できるか？

主な発見

• νₑ消失の最適適合パラメータは、sin²2θₑₑ = 1およびΔm²ₑₑ = 2.05 eV²/c⁴である。
• 95%信頼水準での除外領域は、sin²2θₑₑ > 0.3およびΔm²ₑₑ > 7 eV²/c⁴の領域を含む。
• 帰無仮説（振動なし）のp値は0.085であり、標準模型の下でこのデータを観測する確率は12分の1であることを示している。
• 結果として、ガリウムおよび反復器異常が支持するパラメータ空間の一部が除外された。
• この解析は統計的不確実性に制限されており、感度を向上させるにはさらなるデータが求められる。
• 予備の感度評価において、νₘu消失の結果は有望であり、システムティック不確実性を完全に含めた場合、期待される90%信頼水準での感度が得られる。