[논문 리뷰] Experimental search for the LSND anomaly with the ICARUS LAr TPC detector in the CNGS beam

M. Antonello, B. Baibussinov외 55명|arXiv (Cornell University)|2012. 09. 01.

Particle physics theoretical and experimental studies인용 수 16

한 줄 요약

이 연구는 730 km의 기준거리에서 CNGS 중성자 비임의 투과실린을 사용하여 LSND 이상현상 탐색을 수행한다. 1091개의 중성자 비 이벤트에서 관측된 전자 유사 이벤트는 2개였고, 배경으로부터 예상된 수치는 3.7개였으며, 진동 확률이 5.4×10⁻³ 이상인 경우 LSND 이론현상은 90% 신뢰수준에서 배제되었다. 이는 Dm²≈0.5 eV² 및 sin²(2θ)≈0.05 근처의 매개변수 공간을 상당히 좁히는 데 기여하였다.

ABSTRACT

A search for a nu_e signal, due to a LSND anomaly, with ICARUS at LNGS exposed at the CNGS neutrino beam, is hereby presented. At a distance of 730 km and with the 0-30 GeV energy interval, such anomaly is characterised by fast energy oscillations with probability averaging to 0.5*sin^2(2 theta_new). This is compared with the small but significant backgrounds due to conventional neutrino sources. The ionization along the early part of e.m. showers, has been examined wire by wire to tag the presence of an electron emitted from the vertex of the neutrino event. This is powerful eliminator of gamma converting pairs, which are generally separated from the vertex and are double minimum ionizing. In order to simulate the LSND anomaly, Montecarlo nu_e events have been generated with the nu_mu energy spectrum. These events have been used to estimate the electron identification efficiency due to visibility cuts, found to be ~74%. The present ICARUS experimental sample is based on 1091 neutrino events, about 50% of the data collected up to now. Two events with a clear electron have been found, compared with the expectation of 3.7 events from conventional sources. Within the range of observations, the result is compatible with the absence of LSND anomaly. At 90 and 99% CL this corresponds to 3.41 and 7.13 events with oscillation probabilities 5.4 10^-3 and 1.1 x 10^-2 respectively. This result strongly limits the window for the LSND anomaly, reducing to a narrow region around Dm2=0.5 eV2 and sin^2(2 theta)=0.05, where there is an overall agreement (90 % CL) between the ICARUS limit, the published limit of KARMEN and the published positive signals of LSND and MiniBooNE collaborations. To complete the search of an LSND-like anomaly, especially in the surviving region, we intend to move the ICARUS detector to a much closer distance and to collect new data from a lower energy neutrino.

연구 동기 및 목표

• 장거리 중성자 비에서 전자 중성자 출현을 통해 LSND 이론현상 가설을 검증하기 위해.
• 전자 탐지에서 전통적 중성자 비 원천으로부터의 배경 기여를 줄이기 위해.
• 감마선 유도 가짜 신호를 억제하기 위해 와이어 단위 이온화 프로파일링을 사용하여 전자 식별을 향상시키기 위해.
• LSND 및 MiniBooNE 신호와 일관된 스테일러 중성자 비 진동에 대한 엄격한 제약을 설정하기 위해.
• 향후 실험을 안내하기 위해 향후 연구를 위해 가능한 좁은 매개변수 영역을 규명하기 위해.

제안 방법

• Monte Carlo 시뮬레이션을 통해 LSND 유사 진동을 모델링하기 위해 nu_mu 에너지 스펙트럼을 사용하여 nu_e 이벤트를 생성하였다.
• 초기 샤워 발달 동안의 이온화 에너지 손실을 와이어 단위로 분석하여 전자 원천을 식별하였다.
• 전자 식별 효율을 추정하기 위해 가시성 절단 조건을 적용하였으며, 약 74%로 확인되었다.
• 기존 중성자 비 원천으로부터의 배경를 정량화하고 관측된 이벤트 샘플에서 제거하였다.
• 통계 분석을 통해 90% 및 99% 신뢰수준에서 관측된 전자 이벤트(2개)와 기대 배경(3.7개)를 비교하였다.
• 향후 더 짧은 기준거리로의 이동을 제안하여 잔류 이론현상 영역에 대한 민감도를 향상시키고자 하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 ICARUS 검출기에서는 CNGS 비에서 LSND 이론현상과 일치하는 전자 유사 이벤트 과잉을 관측하는가?
• RQ2 와이어 단위 이온화 프로파일링을 사용한 저에너지 샤워에 대한 전자 식별 효율은 얼마인가?
• RQ3 기존 중성자 비 원천으로부터의 배경는 LSND 매개변수 영역에서 스테일러 중성자 비 진동 탐색에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 90% 및 99% 신뢰수준에서 LSND 이론현상의 진동 확률에 대한 상한은 얼마인가?
• RQ5 ICARUS, KARMEN, LSND 및 MiniBooNE의 복합 제약 조건을 바탕으로, 잔류 매개변수 영역은 어디에 위치하는가?

주요 결과

• ICARUS 데이터 샘플의 1091개의 중성자 비 이벤트 중에서 전자 유사 이벤트 2개가 관측되었고, 전통적 원천으로부터 예상된 배경 수치는 3.7개였다.
• 90% 신뢰수준에서 LSND 이론현상의 부재와 일치하는 결과로, 상한은 3.41개로 확인되었다.
• 99% 신뢰수준에서는 상한이 7.13개로, 최대 진동 확률은 1.1×10⁻²로 확인되었다.
• LSND 이론현상은 Dm² = 0.5 eV² 및 sin²(2θ) = 0.05 근처의 좁은 영역으로 강력히 제약되었다.
• 이 영역는 ICARUS 제약, KARMEN 제약 및 LSND 및 MiniBooNE에서 보고된 양성 신호 간의 총합 일치를 보였다.
• 향후 ICARUS 실험은 더 짧은 기준거리로 이동하여 잔류 가능한 매개변수 영역을 추가로 탐색할 계획이다.