[論文レビュー] The (3+2) Neutrino Mass Spectrum and Double Chooz

Abhijit Bandyopadhyay, Sandhya Choubey|ArXiv.org|Jul 17, 2007

Neutrino Physics Research参考文献 15被引用数 11

ひとこと要約

本論文は、3+2ニュートリノ質量スペクトル（3つのアクティブなフレーバーと2つのステルラーニュートリノが混合する）が、ダブル・チューズ・原子炉ニュートリノ実験に与える影響を調査する。ステルラーニュートリノの振動が、近接および遠方の両検出器で一定の抑制を引き起こすことが示され、これが正しく考慮されない場合、$\theta_{13}$ 測定にバイアスを生じる可能性がある。主な発見は、両検出器のデータを組み合わせ、フィットにおいてステルラーニュートリノ混合角を自由に変化させることで、ステルラーニュートリノ干渉によって生じる誤った解を排除し、$\theta_{13}$ に対する正確な感度が回復することである。

ABSTRACT

The implications of extra sterile neutrinos for the Double Chooz experiment is expounded. The so-called ``3+2'' mass spectrum with 2 sterile neutrinos mixed with the active ones, is still allowed by the global neutrino data including MiniBooNE. We probe its impact on the resultant reactor antineutrino signal at the near and far detector of the Double Chooz experiment. The oscillations driven by the additional mass squared difference due to the sterile states bring an energy independent constant suppression at both the near and far detectors. We study to what extent the measurement of $θ_{13}$ would get affected due to the presence of sterile mixing. We also give the projected sensitivity that Double Chooz will have to constrain the extra mixing angles associated with the sterile states.

研究の動機と目的

• 3+2ニュートリノ質量スペクトル（3つのアクティブなフレーバーと2つのステルラーニュートリノが混合する）が、ダブル・チューズ・原子炉ニュートリノ実験に与える影響を評価すること。
• ステルラーニュートリノ振動が、近接および遠方の両検出器における反ニュートリノイベントスペクトルに与える歪みを特定すること。
• 非ゼロのステルラーニュートリノ混合角による$\theta_{13}$ 測定精度の低下を評価すること。
• ステルラーニュートリノ寄与が存在する状況における、ダブル・チューズが$\theta_{13}$ に到達可能な感度を確立すること。
• 近接および遠方検出器のデータを組み合わせ、ステルラーニュートリノ混合角を自由に変化させることで、$\theta_{13}$ の正確な決定が回復することを示すこと。

提案手法

• ダブル・チューズの$\bar{\nu}_e$ イベントスペクトルモデルを構築し、$\theta_{13}$ とステルラーニュートリノ混合角による振動を組み込む。
• $\nu_3$ 駆動の振動とステルラーニュートリノ状態による振動の両方の寄与を含む$\bar{\nu}_e$ 生存確率 $P_{ee}$ を使用する。
• 近接および遠方の両検出器に$\bar{\nu}_e$ フラックスモデルを適用し、エネルギー依存のイベントレートを、検出器効率とバックグラウンド推定値を用いて計算する。
• $\bar{\nu}_e$ イベントレートモデルを用いてデータをシミュレートし、統計解析を$\bar{\nu}_e$ ベースの$\bar{\nu}_e$ 生存確率 $P_{ee}$ を用いて実施する。
• $\bar{\nu}_e$ ベースの$\bar{\nu}_e$ 生存確率 $P_{ee}$ を用いて、両検出器における$\bar{\nu}_e$ イベントレートを計算し、ステルラーニュートリノ混合の寄与を含む。
• $\bar{\nu}_e$ ベースの$\bar{\nu}_e$ 生存確率 $P_{ee}$ を用いて、信号をモデル化し、データにフィットする。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ステルラーニュートリノ振動は、ダブル・チューズ実験の近接および遠方検出器における反ニュートリノイベントスペクトルにどのように影響を与えるか？
• RQ2 ステルラーニュートリノ混合角の存在が、ダブル・チューズにおける$\theta_{13}$ 測定の精度をどの程度低下させるか？
• RQ3 遠方検出器のみを用いた場合、$\theta_{13}$ 駆動の振動とステルラーニュートリノによって誘発される振動を区別できるか？
• RQ4 ステルラーニュートリノ混合角が非ゼロであるが、フィットでゼロに固定されている場合、ダブル・チューズが$\theta_{13}$ に到達可能な感度はどの程度か？
• RQ5 近接および遠方検出器のデータを組み合わせ、ステルラーニュートリノ混合角を自由に変化させることで、$\theta_{13}$ の正確な決定が回復できるか？

主な発見

• ステルラーニュートリノ振動は、エネルギーに依存しない形で、近接および遠方の両検出器における反ニュートリノイベントレートに一定の抑制を引き起こす。
• 非ゼロの$\theta_{14}$ および$\theta_{15}$ 混合角の存在により、$\theta_{13}$ とステルラーニュートリノ混合角の間に相関が生じ、$\theta_{13}$ 決定において誤解を招く可能性がある。
• 遠方検出器のデータのみを用い、ステルラーニュートリノ混合角をゼロに固定した場合、特に$\theta_{14}$ が大きい場合、$\theta_{13}$ の上限は真の値と著しく異なる値にずれる。
• 真のステルラーニュートリノ混合角$\theta_{14}$ の値が大きくなるほど、フィットでステルラーニュートリノ混合角をゼロに固定した場合、$\theta_{13}$ 測定の精度が低下する。
• 近接および遠方検出器のデータを組み合わせ、ステルラーニュートリノ混合角を自由に変化させることで、$\theta_{13}$ に対する標準的な感度が回復し、誤った解が排除される。
• 近接検出器は、統計的精度が高く、振動効果が小さいため、遠方検出器に比べてステルラーニュートリノ混合角に対してより高い感度を示す。