[논문 리뷰] First constraints on light sterile neutrino oscillations from combined appearance and disappearance searches with the MicroBooNE detector

MicroBooNE collaboration, P. Abratenko외 185명|arXiv (Cornell University)|2022. 10. 18.

Neutrino Physics Research인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 미세한 스테리르 뉴트리노 진동에 대한 첫 번째 종합적 제약 조건을 미세보네(MicroBooNE) 실험에서 나타나는 채널과 사라지는 채널을 모두 사용하여 제시한다. 여러 최종 상태에서 뉴트리노 사건을 분석하고 Feldman-Cousins 통계적 접근법을 적용함으로써, $\Delta m^2_{41}$--$\sin^2 2\theta_{\mu e}$ 매개변수 공간의 유의미한 영역을 배제하며, 미니부오네 애너미와의 $2-3\sigma$ 불일치를 보이고 순수 $\nu_e$ 초과 설명을 배제한다.

ABSTRACT

We present a search for eV-scale sterile neutrino oscillations in the MicroBooNE liquid argon detector, simultaneously considering all possible appearance and disappearance effects within the $3+1$ active-to-sterile neutrino oscillation framework. We analyze the neutrino candidate events for the recent measurements of charged-current $ν_e$ and $ν_μ$ interactions in the MicroBooNE detector, using data corresponding to an exposure of 6.37$ imes$10$^{20}$ protons on target from the Fermilab booster neutrino beam. We observe no evidence of light sterile neutrino oscillations and derive exclusion contours at the $95\%$ confidence level in the plane of the mass-squared splitting $Δm^2_{41}$ and the sterile neutrino mixing angles $θ_{μe}$ and $θ_{ee}$, excluding part of the parameter space allowed by experimental anomalies. Cancellation of $ν_e$ appearance and $ν_e$ disappearance effects due to the full $3+1$ treatment of the analysis leads to a degeneracy when determining the oscillation parameters, which is discussed in this paper and will be addressed by future analyses.

연구 동기 및 목표

• MicroBooNE 검출기에서 $\nu_e$ 나타남 신호와 $\nu_\mu$/$\nu_e$ 사라짐 신호를 모두 사용하여 $3+1$ 스테리르 뉴트리노 진동 모델을 시험한다.
• 미니부오네 애너미와 후속적인 null 결과 사이의 갈등을 완전한 진동 프레임워크 효과를 포함시켜 해결한다.
• CC, NC, $\pi^0$와 같은 다수의 뉴트리노 상호작용 채널을 통합한 피팅을 통해 감도를 향상시킨다.
• MicroBooNE 데이터와 $3+1$ 모델 하에서 미니부오네 $\nu_e$ 초과의 일치 여부를 평가한다.
• $\Delta m^2_{41}$--$\sin^2 2\theta_{\mu e}$ 및 $\Delta m^2_{41}$--$\sin^2 2\theta_{ee}$ 평면에서 95% 신뢰수준의 최신 배제 한계를 제공한다.

제안 방법

• 완전히 및 부분적으로 포함된 $\nu_e$ CC, $\nu_\mu$ CC, $\nu_\mu$ CC에 $\pi^0$가 포함된 경우, 그리고 NC $\pi^0$ 사건을 포함한 일곱 개의 뉴트리노 선택 채널에 대해 통합 우도 피팅을 수행한다.
• 가설 검정에 적절한 통계적 커버리지를 확보하기 위해 $\Delta\chi^2$ 분포를 계산하기 위해 Feldman-Cousins 방법을 사용한다.
• 3+1 뉴트리노 진동 프레임워크 내에서 $\nu_e$ 나타남 및 $\nu_\mu$/$\nu_e$ 사라짐 효과를 모두 포함한다.
• BNB 및 NuMI 비드의 이벤트 가중 뉴트리노 플럭스를 사용하여 신호 기대치를 모델링하며, $\nu_\mu/\nu_e$ 비율은 각각 약 185와 약 25이다.
• Asimov 데이터셋에서 유도된 감도 곡선을 사용하여 95% 신뢰수준에서 데이터 기반 배제 윤곽선을 계산한다.
• 이전 실험들(_LSND, KARMEN, 미니부오네, Neutrino-4, 갈륨 애너미)과 반응로 기반 실험들(STEREO, PROSPECT 등)과 결과를 비교한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 미니부오네의 $\nu_e$ 초과가 나타나는 채널과 사라지는 채널의 영향을 모두 포함할 때, $3+1$ 스테리르 뉴트리노 진동 모델과 일치하는가?
• RQ2 MicroBooNE 데이터는 95% 신뢰수준에서 $\Delta m^2_{41}$--$\sin^2 2\theta_{\mu e}$ 매개변수 공간의 어떤 영역을 배제하는가?
• RQ3 스테리르 뉴트리노 진동의 맥락에서 MicroBooNE 결과는 LSND, 갈륨 애너미, Neutrino-4 결과와 어떻게 비교되는가?
• RQ4 관측된 $\nu_e$ CC 이벤트의 부족함은 미니부오네 애너미의 순수 $\nu_e$ 나타남 설명을 어느 정도 배제하는가?
• RQ5 MicroBooNE와 미니부오네 사이의 불일치는 $\nu_e$ 저에너지 초과와 스테리르 뉴트리노 진동 탐색에서 어떤 의미를 갖는가?

주요 결과

• MicroBooNE는 미니부오네 애너미에서 이전에 제안된 바 있는 매개변수 공간의 대부분을 배제하며, 특히 $\Delta m^2_{41} \sim 0.1-10$ eV$^2$ 범위에서 두드러진다.
• 미니부오네의 $2\sigma$ 허용 영역과 비교할 때, $\nu_e$ 나타남 전용 시나리오는 $2-3\sigma$ 수준에서 불리하다. 이는 순수 $\nu_e$ 초과 모델의 일관성 부족을 시사한다.
• 95% 신뢰수준에서 $\Delta m^2_{41}$--$\sin^2 2\theta_{\mu e}$ 평면의 데이터 기반 배제 윤곽선은 $\Delta m^2_{41} \sim 1$ eV$^2$에서 $\sin^2 2\theta_{\mu e} \gtrsim 0.02$ 값을 배제한다.
• $\nu_e$ 사라짐 전용 시나리오에서는 $\Delta m^2_{41} \sim 1$ eV$^2$에서 $\sin^2 2\theta_{ee} \gtrsim 0.01$가 배제되며, 이는 반응로 애너미 제약 조건과 일치한다.
• $\nu_e$ 저에너지 초과와 스테리르 뉴트리노 진동 매개변수 공간에서 MicroBooNE와 미니부오네 결과 사이에 $2-3\sigma$ 불일치가 관측된다.
• MicroBooNE 결과는 $\nu_e$ 나타남 전용 근사에서 LSND의 90% 신뢰수준 허용 영역과도 일치하지 않으며, 이는 미니부오네 애너미의 스테리르 뉴트리노 설명을 더욱 도전적으로 만든다.