[논문 리뷰] Radiative decay of heavy neutrinos at MiniBooNE and MicroBooNE

Luis Alvarez-Ruso, Eduardo Saul-Sala|arXiv (Cornell University)|2017. 04. 30.

Particle physics theoretical and experimental studies인용 수 6

한 줄 요약

이 논문은 미니부니(MiniBooNE) 전자 유사 초과 현상이 50 MeV의 비활성 중성자소($u_h$)가 전자기 및 약한 상호작용을 통해 $u_u$-핵 반응에서 생성된 후 복사 붕괴하는 데서 기인할 수 있다고 제안한다. 이 모델은 $u_h$ 붕괴에서 특징적인 영역의 광자 에너지 및 각도 분포를 예측하며, 마이크로부니(MicroBooNE)의 광자 식별 능력 덕분에 강력한 신호가 기대되며, 이는 비정상 현상에 대한 검증 가능한 설명을 제공한다.

ABSTRACT

The MiniBooNE experiment reported results from the analysis of $ν_e$ and $\overlineν_e$ appearance searches, which showed an excess of signal-like events at low reconstructed neutrino energies with respect to the expected background. A proposed explanation for this anomaly is based on the existence of a heavy ($\sim 50$~MeV) sterile neutrino. These $ν_h$ would be produced by $ν_μ$ electromagnetic and neutral current interactions. A fraction of them decays radiatively inside the detector. The emitted photon is misidentified as an electron or positron in MiniBooNE. We have investigated the $ν_h$ production by coherent and incoherent electroweak interactions at the MiniBooNE and MicroBooNE targets, CH$_2$ and Ar, respectively. Studying the $ν_h$ propagation inside the detector, we obtain the energy and angular distributions of emitted photons for a choice of model parameters. The distinctive shape and total number of photon events from this mechanism at MicroBooNE makes its experimental investigation possible.

연구 동기 및 목표

• 50 MeV 정도의 무거운 비활성 중성자소($m_h \sim 50$ MeV)의 복사 붕괴가 미니부니 전자 유사 사건 초과 현상을 설명할 수 있는지 조사하기.
• $^{12}$C(미니부니) 및 $^{40}$Ar(마이크로부니) 타겟에서 $\nue_\nue$-핵 반응에 의한 $\nue_h$의 전자기적 및 약한 상호작용에 의한 생성 단면적을 계산하기.
• 검출기 내부에서 $\nue_h$의 전파 및 복사 붕괴를 모델링하여 광자 에너지 및 각도 분포를 예측하기.
• 검출기 효율성 및 수용각 보정을 고려하여 이론적 광자 사건 스펙트럼을 미니부니 데이터와 비교하기.
• 마이크로부니 실험의 뛰어난 광자 식별 능력을 활용해 $\nue_h$ 복사 붕괴 가설을 실험적으로 검증할 수 있는지 평가하기.

제안 방법

• 전이 자기모멘트 $\mu_{\text{tr}}^\mu = 2.4 \times 10^{-9} \mu_B$를 가진 효과적 라그랑지안을 사용하여 $\nue_h$의 전자기적 생성을 모델링하기.
• 전자-핵 탄성 산란 데이터에서 유도된 핵형 인자(형상 인자)를 사용하여 응집성 및 비응집성 $\nue_h$ 생성 단면적을 계산하기.
• 유한 핵에서 비응집 산란을 입자-구멍 상태 자극을 통해 국소 밀도 근사법으로 모델링하기.
• 표준 약한 상호작용 전류를 사용하고, 도플러 축성형상인자($M_A = 1$ GeV)와 전자기 데이터에 맞춘 벡터형상인자를 적용하기.
• 수명 $\tau = 5 \times 10^{-9}$ s를 가진다 하고, 붕괴 광자가 $\nue_h$ 스핀과 반대 방향으로 방출된다고 가정하여 $\nue_h$의 전파 및 복사 붕괴를 추적하기.
• 측정된 중성자소 유량과 검출기 특화된 효율 보정을 사용하여 미니부니 및 마이크로부니에서의 광자 에너지 및 각도 분포를 시뮬레이션하기.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 50 MeV 비활성 중성자소의 복사 붕괴가 중성자소 진동을 도입하지 않고도 미니부니 전자 유사 초과 현상을 설명할 수 있는가?
• RQ2 $\nu_\mu$-핵 반응에서 $^{12}$C 및 $^{40}$Ar에서의 전자기적 및 약한 상호작용이 $\nue_h$ 생성에 어떻게 기여하는가?
• RQ3 미니부니 및 마이크로부니 검출기에서 $\nue_h$ 복사 붕괴에 의한 예측된 광자 에너지 및 각도 분포는 무엇인가?
• RQ4 검출기 효율은 예측된 광자 유사 사건과 미니부니에서 관측된 결과 간의 일치에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 마이크로부니의 광자 식별 능력 덕분에 일반 배경과 $\nue_h$ 복사 붕괴 신호를 구별할 수 있는가?

주요 결과

• 저 $q^2$ 영역에서 $^{12}$C에서의 전자기 응집성 생성이 단면적을 지배하며, 이는 광자 각도 분포가 매우 앞방향으로 집중된 형태를 띤다.
• 미니부니의 $\nu$-모드에서 초과 현상은 모델에 의해 과소평가되나, $\overline{\nu}$-모드에서는 양호한 일치를 보이며, 매개변수 조정 가능성을 시사한다.
• 응집성 전자기 기여는 미니부니 데이터와 일치하지 않는 좁은 각도 분포를 생성하므로, 매개변수 조정이 이루어지지 않는 한 긴장이 존재한다.
• 비응집성 약한 상호작용 과정이 약한 단면적을 지배하며, $\nue_h$ 생성에 있어 중요한 기여를 한다.
• 마이크로부니는 $\nue_h$ 붕괴에서 특징적인 광자 사건 스펙트럼을 관측할 것으로 예측되며, 배경과 명확히 다른 형태와 총 사건 수를 갖는다.
• $N_{\text{POT}} = 6.6 \times 10^{20}$ 조건에서 마이크로부니에서의 예측 광자 사건 수는 현재 감도로 실험적으로 검증 가능한 수준이다.