[論文レビュー] Sterile Neutrinos at the CNGS

A. Donini, Michele Maltoni+3 more|arXiv (Cornell University)|Apr 3, 2007

Neutrino Physics Research被引用数 9

ひとこと要約

この論文は、OPERA検出器を基準として、質量平方差が約1 eV²の4ニュートリノモデルにおける不活性ニュートリノパラメータを制約するためのCNGSニュートリノビームの可能性を調査する。νμ → ντ 遷移が、背景が低く、混合角に関する現在の制約が弱いため、最も高い感度を示す。ニュートリノ強度を2–10倍に増加させることで、感度は顕著に向上する。

ABSTRACT

We study the potential of the CNGS beam in constraining the parameter space of a model with one sterile neutrino separated from three active ones by an $\mathcal{O}(\eVq)$ mass-squared difference, $\Dmq_\Sbl$. We perform our analysis using the OPERA detector as a reference (our analysis can be upgraded including a detailed simulation of the ICARUS detector). We point out that the channel with the largest potential to constrain the sterile neutrino parameter space at the CNGS beam is $ν_μ o ν_τ$. The reason for that is twofold: first, the active-sterile mixing angle that governs this oscillation is the less constrained by present experiments; second, this is the signal for which both OPERA and ICARUS have been designed, and thus benefits from an extremely low background. In our analysis we also took into account $ν_μ o ν_e$ oscillations. We find that the CNGS potential to look for sterile neutrinos is limited with nominal intensity of the beam, but it is significantly enhanced with a factor 2 to 10 increase in the neutrino flux. Data from both channels allow us, in this case, to constrain further the four-neutrino model parameter space. Our results hold for any value of $\Dmq_\Sbl \gtrsim 0.1 \eVq$, extit{i.e.} when oscillations driven by this mass-squared difference are averaged. We have also checked that the bound on $θ_{13}$ that can be put at the CNGS is not affected by the possible existence of sterile neutrinos.

研究の動機と目的

• 質量平方差が約1 eV²の4ニュートリノモデルにおけるCNGSビームの不活性ニュートリノに対する感度を評価すること。
• CNGSにおいて不活性ニュートリノを検出するための最も感度の高い遷移チャネルを特定すること。
• ニュートリノ強度の増加が、不活性ニュートリノパラメータの制約に与える影響を評価すること。
• 不活性ニュートリノの存在が、θ13 の制約に影響しないことを検証すること。

提案手法

• 分析では、νμ → ντ および νμ → νe 遷移探索の基準としてOPERA検出器を用いる。
• 1つの不活性ニュートリノが3つのアクティブニュートリノからΔm²_SBL ~ O(1 eV²) の差で分離された4ニュートリノモデルを仮定する。
• 感度は、アクティブ-不活性混合角および検出器のバックグラウンドレベルに基づいて評価する。
• νμ → ντ および νμ → νe チャネルの両方を検討し、バックグラウンドが低く、事前の制約が弱いことから、νμ → ντ が好まれる。
• ビーム強度のスケーリングを考慮し、ビーム強度を2〜10倍に増加させることで感度が向上することを示す。
• 不活性ニュートリノの存在が、CNGSにおけるθ13 の制約に影響しないことを検証する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 CNGSにおけるどの遷移チャネルが、4ニュートリノモデルにおける不活性ニュートリノに対して最も高い感度を示すか？
• RQ2 ニュートリノ強度の増加が、不活性ニュートリノパラメータの感度にどのように影響するか？
• RQ3 不活性ニュートリノがCNGSにおけるθ13 測定に与える影響は何か？
• RQ4 検出器固有のバックグラウンドは、νμ → ντ および νμ → νe チャネルにおける不活性ニュートリノ探索にどのように影響するか？
• RQ5 CNGSビームが不活性ニュートリノパラメータを制約するのに有効であるΔm²_SBL の範囲は何か？

主な発見

• νμ → ντ チャネルが、バックグラウンドが低く、混合角に関する現在の制約が弱いため、不活性ニュートリノに対して最も高い感度を示す。
• ニュートリノ強度を2–10倍に増加させることで、CNGSビームは不活性ニュートリノパラメータの感度を顕著に向上させることができる。
• CNGSビームは、Δm²_SBL ≥ 0.1 eV² の範囲で、4ニュートリノモデルのパラメータ空間を制約可能である。この範囲では遷移が平均化される。
• νμ → ντ 遷移の感度が最大になるのは、OPERAおよびICARUSがこのチャネルに最適化されているためである。
• CNGSにおけるθ13 の制約は、不活性ニュートリノの存在があっても影響を受けない。
• Δm²_SBL ≳ 0.1 eV² の範囲では、分析が頑健であるため、関連する不活性ニュートリノ質量スケールに適用可能である。