[論文レビュー] Sterile Neutrino Sensitivity with Wrong-Sign Muon Appearance at nuSTORM

C. Tunnell|arXiv (Cornell University)|May 29, 2012

Neutrino Physics Research参考文献 13被引用数 3

ひとこと要約

本論文は、3.8 GeV/cのミューオン崩壊を用いて、短基準長物理学のための正確に計算可能な電子ニュートリノおよびミューオンニュートリノビームを生成する、νSTORMと呼ばれるニュートリノファクトリーの提案を行う。本研究では、νSTORMにおける誤符号ミューオン出現チャンネル（νₑ → νₘᵤ）が、(3+1)不活性ニュートリノモデルにおいてLSNDの99%信頼区間に対して10σの感度を達成することを示しており、ミューオン軌跡同定の効率性のおかげで、他の提案と比較して不活性ニュートリノに対する優れた感度を有している。

ABSTRACT

Neutrinos from STORed Muons (nuSTORM; formerly VLENF) is a proposed experiment to use 3.8 GeV/c muon decay to produce a well-understood beam of electron and muon neutrinos that can be used for short baseline physics. A magnetized far detector allows for the wrong-sign muon appearance physics of electron-neutrino to muon-neutrino. This channel is the CPT of the LSND anomaly and provides 10 sigma sensitivity to the anomaly. This note contains a detailed explanation of the nSTORM appearance analysis that was included in the Letter of Intent.

研究の動機と目的

• 3つのアクティブニュートリノに加えて1つの重い不活性状態を有する(3+1)モデルにおける不活性ニュートリノへのνSTORM施設の感度を調査すること。
• νₑ → νₘᵤ誤符号ミューオン出現チャンネルが、不活性ニュートリノ混合パラメータを探索する手段としての可能性を評価すること。
• ベースライン、ミューオンエネルギー、バックグラウンド抑制などの検出器および加速器性能指標を最適化し、感度を最大化するとともに、費用対効果に優れた設計を可能とすること。
• 特に不活性ニュートリノ混合行列要素を制約する観点で、νSTORMの感度を他の短基準長実験と比較すること。
• 統計的感度指標とバックグラウンド抑制のチューニングを用いた、将来の費用および性能最適化のフレームワークを提供すること。

提案手法

• 3.8 GeV/cのミューオンからのミューオン崩壊スペクトル（νₑおよびνₘᵤ）の木構造計算を用い、電弱理論と運動量依存性行列要素に基づく明確なフラックスを導出する。
• 相対論的運動学を用いて、ミューオンの静止系から実験系へのニュートリノフラックスをブーストし、νₑおよびνₘᵤのエネルギーおよび角度分布を組み込む。
• νₑ → νₘᵤの振動確率は、(3+1)不活性ニュートリノフレームワークを用いてモデル化され、出現率はsin²(2θₑₘᵤ)およびΔm²₄₁に依存する。
• スペクトル情報に基づく統計のみのχ²解析を実施し、感度を評価する。バックグラウンド推定は、非振動のCCおよびNC過程に基づく。
• 信号効率とバックグラウンドレベルを最適化するために、電荷誤識別および中性荷電（NC）抑制カットを用いたバックグラウンド抑制をモデル化する。
• ベースラインおよびミューオンエネルギーの範囲で感度を評価し、全イベント数および検出器性能指標を用いて最適化を実施する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 νSTORM施設は、νₑ → νₘᵤ誤符号ミューオン出現チャンネルを用いて、不活性ニュートリノに対して高い感度を達成できるか？
• RQ2 νSTORMの感度は、他の提案された短基準長実験と比較して、(3+1)不活性ニュートリノモデルを探索する上でどのように異なるか？
• RQ3 不活性ニュートリノ感度を最大化すると同時に加速器および検出器コストをバランスさせる最適なベースラインおよびミューオンエネルギーは何か？
• RQ4 電荷誤識別およびNCなどのバックグラウンド抑制レベルが、不活性ニュートリノ信号の統計的有意水準にどのように影響するか？
• RQ5 検出器性能および加速器設計をどの程度最適化できるか、コストおよび工学的制約下でも高い感度を維持できるか？

主な発見

• νSTORMは、νₑ → νₘᵤ出現チャンネルのみを用いて、(3+1)不活性ニュートリノモデルにおいてLSNDの99%信頼区間に対して10σの感度を達成する。
• 誤符号ミューオン出現チャンネルは、LSNDの反ニュートリノ異常（ν̄ₘᵤ → ν̄ₑ）のCPT共役に相当するため、補完的かつ理論的に堅牢なプローブである。
• 保持されたミューオンエネルギーを3.8 GeV/cから上昇させることで、立体角および断面積の増大に伴い、信号率はエネルギーに比例して線形に増加し、固定ベースラインで感度が向上する。
• ベースライン最適化の結果、固定ベースラインにおいてミューオンエネルギーを上昇させることは常に有利であることが示された。これは、νₑフラックスのピークエネルギーが振動最大値よりも高い位置にあるためである。
• 電荷誤識別およびNCカットによるバックグラウンド抑制は、統計的有意水準の損失を最小限に抑えるようにチューニング可能であり、NCバックグラウンドは10⁻⁴未満の抑制レベルで顕著になる。
• 検出器性能の向上により、検出器サイズの縮小やターゲットステーションの出力低減が可能となり、最適化されたカットおよび性能指標を用いることで、感度を保持したまま費用対効果の高い設計が実現できる。