[論文レビュー] Sterile Neutrino Fits to Short Baseline Neutrino Oscillation Measurements

J. M. Conrad, C. Ignarra+3 more|arXiv (Cornell University)|Jul 19, 2012

Neutrino Physics Research参考文献 11被引用数 16

ひとこと要約

本稿は、ステルレルニュートリノモデルにおける短基底長ニュートリノ振動データを評価し、3つのアクティブなニュートリノと3つのステルレルニュートリノを含む(3+3)モデルが、67%の適合度と90%のデータセット間適合性を示し、(3+1)および(3+2)モデルよりも顕著に優れた適合性を示す。しかし、依然としてミニブーインの低エネルギー出現過剰を説明できない。

ABSTRACT

This paper reviews short baseline oscillation experiments as interpreted within the context of one, two, and three sterile neutrino models associated with additional neutrino mass states in the ~1 eV range. Appearance and disappearance signals and limits are considered. We show that fitting short baseline data sets to a (3+3) model, defined by three active and three sterile neutrinos, results in an overall goodness of fit of 67%, and a compatibility of 90% among all data sets -- to be compared to the compatibility of 0.043% and 13% for a (3+1) and a (3+2) model, respectively. While the (3+3) fit yields the highest quality overall, it still finds inconsistencies with the MiniBooNE appearance data sets; in particular, the global fit fails to account for the observed MiniBooNE low-energy excess. Given the overall improvement, we recommend using the results of (3+2) and (3+3) fits, rather than (3+1) fits, for future neutrino oscillation phenomenology. These results motivate the pursuit of further short baseline experiments, such as those reviewed in this paper.

研究の動機と目的

• 短基底長ニュートリノ振動データが複数の実験においてステルレルニュートリノモデル内ですべての実験で適合するかを評価すること。
• (3+1)および(3+2)モデルで観測される出現データセットと消失データセットの間の継続的な矛盾を解消すること。
• 3つのアクティブなニュートリノと3つのステルレルニュートリノを含む(3+3)モデルが、出現および消失信号を一貫して記述できるかを検証すること。
• 将来の素粒子的考察において(3+1)モデルよりも(3+2)および(3+3)モデルを優先すべきであることを提言すること。
• 特にミニブーインの出現データにおける未解決の不一致を特定することで、将来の実験を動機づけること。

提案手法

• χ²最小化を用いた(3+1)、(3+2)、(3+3)モデルにおける短基底長ニュートリノ振動データのグローバルフィッティング。
• LSND、ミニブーイン、原子炉、およびその他のSBL実験からの出現および消失信号を統合した尤度フレームワークへの統合。
• ステルレル状態の追加の混合角および約1 eV²の範囲の質量差を有する拡張されたニュートリノ混合行列の使用。
• 各モデルにおける適合度とデータセット間適合性を、χ²確率および適合性指標を用いて評価。
• 適合度の向上を評価するため、帰無仮説（振動なし）および以前のフィット結果と比較。
• モデルの頑健性をテストするため、宇宙論的制約および原子炉ベースの消失データを統合。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 短基底長実験からの出現および消失データを一貫して説明できる(3+3)ステルレルニュートリノモデルは存在するか？
• RQ2 短基底長振動データのフィッティングにおいて、(3+1)、(3+2)、(3+3)モデルの間でデータセットの適合性はどのように比較されるか？
• RQ3 (3+3)モデルが全体的な適合性を改善したにもかかわらず、なぜミニブーインの低エネルギー出現過剰を説明できないのか？
• RQ4 (3+1)および(3+2)モデルと比較して、(3+3)モデルの適合度の有意性は何か？
• RQ5 どのステルレルニュートリノモデルが、将来の素粒子的および実験的作業の最も頑健な基盤を提供するか？

主な発見

• (3+3)モデルは適合度確率が67%に達し、帰無仮説の2.1%および(3+1)モデルの55%よりも顕著に高い。
• (3+3)モデルにおける全データセット間の適合性は90%であるのに対し、(3+1)モデルでは0.043%、(3+2)モデルでは0.0082%にとどまる。
• 適合性が向上したにもかかわらず、(3+3)モデルはミニブーインの低エネルギー出現過剰を説明できないため、依然として緊張状態が持続している。
• (3+2)モデルは適合性69%、適合度55%を示し、(3+1)モデルより中程度の改善を示すが、依然としてデータ適合性に一貫性がない。
• (3+1)モデルは適合性が低く（0.043%）、適合度も低いことから、全データセットを一貫して記述できないことが明らかになった。
• 著者らは、適合性とフィット品質に優れるため、将来のステルレルニュートリノの素粒子的考察において(3+2)および(3+3)モデルを(3+1)モデルよりも優先すべきであると提言している。