[論文レビュー] Super-Kamiokande atmospheric neutrino results

T. Toshito, collaboration, the Super-Kamiokande|ArXiv.org|May 14, 2001

Neutrino Physics Research被引用数 39

ひとこと要約

スーパーカミオカンデの1289日分の大気中性子ビームデータは、$ν_{\mu} \rightarrow \nu_{\tau}$ 遷移を強く支持しており、$\Delta m^2 = 2.5 \times 10^{-3}$ eV$^2$ および $\sin^2 2\theta = 1.00$ である。これは99%信頼水準で純粋な $\nu_{\mu} \rightarrow \nu_{\text{ステアリング}}$ 遷移を排除する。データは上向きの電荷対称性を示す $\nu_{\tau}$ イベントに2$\sigma$程度の過剰を示しており、$\nu_{\tau}$ の出現を示唆している。

ABSTRACT

We present atmospheric neutrino results from a 79 kiloton year (1289 days) exposure of the Super-Kamiokande detector. Our data are well explained by $ν_μ o ν_τ$ 2-flavor oscillations. We have been attempting to discriminate between the possible oscillating partners of the muon neutrino as being either the tau neutrino or the sterile neutrino. Pure $ν_μ oν_s$ oscillation is disfavored at 99% C.L.. Moreover, we performed the appearance search for charged current tau neutrino interactions in the upward-going samples. Our data is consistent with $ν_τ$ appearance at roughly the two-sigma level.

研究の動機と目的

• 大気中性子ビームのミュオン中性子ビームがタウ中性子ビームまたはステアリング中性子ビームに遷移するという仮説を検証すること。
• 天頂角およびエネルギー依存の分布を用いて、$\nu_{\mu} \rightarrow \nu_{\tau}$ と $\nu_{\mu} \rightarrow \nu_{\text{ステアリング}}$ 遷移モデルを区別すること。
• 上向きのニュートリノイベントにおける電荷対称性 $\nu_{\tau}$ の出現を直接証明すること。

提案手法

• 完全に閉じたおよび部分的に閉じたイベント、および上向きのミュオン標本を含む、スーパーカミオカンデの1289日分のデータを分析した。
• フレーバーレシオの欠落を定量化するために、二重比 $ R = (\mu\text{-like}/e\text{-like})_{\text{DATA}} / (\mu\text{-like}/e\text{-like})_{\text{MC}} $ を使用した。
• カイ二乗最小化を用いて $\nu_{\mu} \rightarrow \nu_{\tau}$ 遷移パラメータをフィットし、遷移確率の式 $ P = \sin^2 2\theta \cdot \sin^2(1.27 \cdot L/E \cdot \Delta m^2) $ を用いた。
• 上向きイベントに対してブラインド解析を実施し、尤度およびニューラルネットワーク手法を用いて $\nu_{\tau}$ 的なシグネチャを強化した。
• マター効果に敏感なNC強化および高エネルギー標本における上/下比を比較することで、$\nu_{\mu} \rightarrow \nu_{\text{ステアリング}}$ をテストした。
• 上向きイベントにおける $\nu_{\tau}$ の出現を探索するため、尤度、ニューラルネットワーク、およびイベント形状解析という3つの独立した手法を用いた。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 観測された大気中性子ビーム $\nu_{\mu}$ フラックスの欠落は、$\nu_{\mu} \rightarrow \nu_{\tau}$ 遷移と整合的か？
• RQ2 データは純粋な $\nu_{\mu} \rightarrow \nu_{\text{ステアリング}}$ 遷移シナリオを排除できるか？
• RQ3 上向きのニュートリノイベントにおける電荷対称性 $\nu_{\tau}$ の出現に証拠はあるか？
• RQ4 高エネルギー $\nu_{\mu}$ における地球のマター効果は、遷移パターンにどのように影響するか？
• RQ5 中性子対称性および上向きミュオンイベントの観測された天頂角分布は、$\nu_{\mu} \rightarrow \nu_{\tau}$ モデルをステアリング中性子ビームモデルよりも支持するか？

主な発見

• 最良のフィットパラメータは $\Delta m^2 = 2.5 \times 10^{-3}$ eV$^2$ および $\sin^2 2\theta = 1.00$ であり、自由度152の下で $\chi^2 = 142.1$ であった。
• NCおよび高エネルギー標本における上/下比および垂直/水平比を用いた分析により、$\nu_{\mu} \rightarrow \nu_{\text{ステアリング}}$ の仮説は99%信頼水準で除外された。
• 上向きの電荷対称性 $\nu_{\tau}$ イベントの観測数は、背景予想値を2$\sigma$程度上回る過剰と一致している。
• $\nu_{\tau}$ の出現を探索する3つの独立した解析では、補正済みイベント数がそれぞれ $103 \pm 41$、$98 \pm 44$、$79 \pm 44$ であり、すべてMC予測と整合的であった。
• $\nu_{\mu} \rightarrow \nu_{\tau}$ 遷移の90%信頼水準で許容される領域は、$\sin^2 2\theta > 0.88$ および $1.6 \times 10^{-3} < \Delta m^2 < 4 \times 10^{-3}$ eV$^2$ であった。
• 上向き標本におけるミュオン的イベントの著しい欠落は、ステアリング中性子ビーム混合ではなく、$\nu_{\mu} \rightarrow \nu_{\tau}$ 遷移によって最もよく説明される。