[論文レビュー] Searching for MeV-scale Neutrinos with the DUNE Near Detector

Peter Ballett, T. Boschi+1 more|arXiv (Cornell University)|Mar 28, 2018

Neutrino Physics Research参考文献 1被引用数 5

ひとこと要約

本論文は、DUNEニア検出器の強力なニュートリノビームおよび液体アルゴンと高圧力アルゴンTPC技術を活用して、MeVスケールのステアーリング右巻きニュートリノに対するモデルに依存しない探索を提案する。この検出器がMeV質量範囲全体で混合パラメータ |Uₑ₄|² および |Uᵢ₄|² の既存の制限を最大1桁向上させられることを示している。これは、厳密なバックグラウンド抑制後でも成立する。

ABSTRACT

Adding right-handed neutrinos to the Standard Model is a natural and simple extension and is well motivated on both the theoretical and the experimental side. We extend the Standard Model by adding only one right-handed Majorana neutrino and study the sensitivity of the Near Detector of the DUNE experiment to the new physics parameters, namely the mixing parameters $|U_{e 4}|^2$ and $|U_{μ4}|^2$ and the mass $m_N$. The study relies on searches of the products of right-handed neutrino decays, which is possible thanks to an extremely intense beam and a state-of-the-art detection technology. This type of direct test is carried out with very few assumptions and in an almost-completely model-independent way, providing thus a strong result. A background analysis is also performed, simulating the detector performance to particle identification. It is found that the existing bounds in the MeV-range can be improved by one order of magnitude in different detection channels.

研究の動機と目的

• MeV質量範囲の右巻きメジャナニュートリノに対するDUNEニア検出器の感度を評価すること。
• 理論的仮定を最小限に抑えて、ステアーリングニュートリノのSM粒子への崩壊に対するモデルに依存しない探索を実施すること。
• MeVスケール領域における混合パラメータ |Uₑ₄|² および |Uᵢ₄|² の既存の実験的制限を向上させること。
• モンテカルロシミュレーションを用いて、現実的なバックグラウンド抑制が検出感度に与える影響を評価すること。
• PS191 や CHARM などの過去の実験と比較して、感度がどの程度向上するかを定量化すること。

提案手法

• 標準模型にヤコビ係数とメジャナ質量項を有する右巻きメジャナニュートリノを1つ追加することで拡張する。
• 固定標的においてパイオニウムおよびカイオンの崩壊を通じて生成されるステアーリングニュートリノのフラックスを、DUNEビーム設定を用いて推定する。
• 崩壊確率の式 P_d(E) = exp(-Γ_tot L / (γβ)) × (1 - exp(-Γ_tot λ / (γβ))) × (Γ_d / Γ_tot) を用いて、検出器内での崩壊の可能性を計算する。
• 100万件のGENIEシミュレート済みニュートリノ-核子衝突イベントを用いたバックグラウンド解析を行い、ハドロン的活動を除外し、信号に類似したイベントを保持する。
• 運動量空間における信号対バックグラウンドの識別から導出された効率重み係数 W_d(E) を適用し、検出器性能およびバックグラウンド除外の影響を考慮する。
• 複数の崩壊チャンネル（e⁻π⁺、μ⁻π⁺、νe⁺e⁻）の結果を統合し、[11]の統計的手法を用いて90%信頼水準の除外限界を計算する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 DUNEニア検出器は、既存の実験と比較してMeVスケールのステアーリングニュートリノに対する感度を向上させることができるか？
• RQ2 バックグラウンド抑制は、右巻きニュートリノが可視SM最終状態に崩壊する際の検出感度にどのように影響するか？
• RQ3 検出器は、MeV質量範囲における |Uₑ₄|² および |Uᵢ₄|² の既存の制限をどの程度まで向上させられるか？
• RQ4 検出器技術（LArTPC + HPArTPC）は、低質量ステアーリングニュートリノ信号をどのように解像できるか？
• RQ5 e⁻π⁺、μ⁻π⁺、および νe⁺e⁻ の崩壊チャンネルは、バックグラウンドから十分に分離可能であり、堅牢なモデルに依存しない探索が可能か？

主な発見

• DUNEニア検出器は、MeV質量範囲全体で既存の |Uₑ₄|² および |Uᵢ₄|² の制限を最大1桁向上させられる。
• バックグラウンド抑制後でも感度は強く保たれ、質量が約100 MeVの周辺では |Uₑ₄|² ~ 10⁻¹⁰ および |Uᵢ₄|² ~ 10⁻¹⁰ の除外限界に達する。
• 解析により、e⁻π⁺ および μ⁻π⁺ 崩壊チャンネルが、高い信号対バックグラウンド比のおかげで最も有望な検出可能性を示している。
• νe⁺e⁻ チャンネルも、特に低質量領域において競争力のある感度を示している。
• 異なる崩壊モードにわたり、PS191 や CHARM の制限を一貫して上回る改善が得られている。
• 本研究は、DUNE ND が、既存の実験で未だ除外されていないパラメータ空間の広い領域を探索可能であることを確認した。