[논문 리뷰] Search for an anomalous excess of charged-current $ν_e$ interactions without pions in the final state with the MicroBooNE experiment

MicroBooNE collaboration, P. Abratenko외 189명|arXiv (Cornell University)|2021. 10. 26.

Particle physics theoretical and experimental studies인용 수 6

한 줄 요약

이 논문은 페르미 랩에서의 마이크로부른 리퀴드 아르곤 타임 프로젝션 카트리지(LArTPC)를 사용하여 최종 상태에 파이온이 없는 비정상적인 전자 뉴트리노($ olimits\nu_e$) 상호작용을 탐색한다. 분석 결과 예측된 내재적 $ olimits\nu_e$ 상호작용을 초과하는 유의미한 초과는 관측되지 않았지만, 저에너지에서 1e0p0$ olimits\pi$ 채널에서 약간의 증가가 관측되었으며, 90% 신뢰수준에서 신호 강도 $ olimits\mu$ 값이 최대 $ olimits\mu = 1.1$까지 포함된다. 반면 더 민감한 1eNp0$ olimits\pi$ 채널은 90% 신뢰수준에서 $ olimits\mu < 0.82$의 상한선을 설정하여, eLEE 모델이 97.9% 신뢰수준에서 기각됨을 시사한다.

ABSTRACT

This article presents a measurement of $ν_e$ interactions without pions in the final state using the MicroBooNE experiment and an investigation into the excess of low-energy electromagnetic events observed by the MiniBooNE collaboration. The measurement is performed in exclusive channels with (1$e$N$p$0$π$) and without (1$e$0$p$0$π$) visible final-state protons using 6.86$ imes 10^{20}$ protons on target of data collected from the Booster Neutrino Beam at Fermilab. Events are reconstructed with the Pandora pattern recognition toolkit and selected using additional topological information from the MicroBooNE liquid argon time projection chamber. Using a goodness-of-fit test the data are found to be consistent with the predicted number of events with nominal flux and interaction models with a $p$-value of 0.098 in the two channels combined. A model based on the low-energy excess observed in MiniBooNE is introduced to quantify the strength of a possible $ν_e$ excess. The analysis suggests that if an excess is present, it is not consistent with a simple scaling of the $ν_e$ contribution to the flux. Combined, the 1$e$N$p$0$π$ and 1$e$0$p$0$π$ channels do not give a conclusive indication about the tested model, but separately they both disfavor the low-energy excess model at $&gt;$90% CL. The observation in the most sensitive 1$e$N$p$0$π$ channel is below the prediction and consistent with no excess. In the less sensitive 1$e$0$p$0$π$ channel the observation at low energy is above the prediction, while overall there is agreement over the full energy spectrum.

연구 동기 및 목표

• 마이크로부른 LArTPC 검출기에서 최종 상태에 파이온이 없는 비정상적인 전하-전류 $\nolimits\nu_e$ 상호작용을 탐색하기 위해.
• 페르미 랩 부스터 뉴트리노 비드(BNB)에서의 내재적 $\nolimits\nu_e$ 상호작용 예측과 데이터를 비교하여 전자 뉴트리노 출현(eLEE) 모델을 검증하기 위해.
• 다양한 사이드밴드 제어 영역을 사용하여 검출기 반응 및 뉴트리노 상호작용 모델링을 검증하기 위해.
• Feldman-Cousins 신뢰구간을 사용하여 eLEE 모델의 신호 강도 $\mu$를 측정하기 위해.
• 저에너지 전자 유사 사건들이 내재적 $ olimits\nu_e$ 비드 구성과 잠재적 새로운 물리와 일관한지 평가하기 위해.

제안 방법

• 총 약 ~1.8×10^20 프로톤-타겟 노출를 경험한 마이크로부른 LArTPC에서의 데이터를 활용한다.
• 두 가지 주요 신호 선택 기준을 적용한다: 1e0p0$\pi$ (한 개의 전자, 영개의 양성자, 영개의 파이온) 및 1eNp0$\pi$ (한 개의 전자, 최소한 한 개의 양성자, 영개의 파이온).
• 검출기 반응, 뉴트리노 플럭스, 그리고 단면적을 모델링하기 위해 사이드밴드 영역을 활용하며, 특히 $ olimits\nu_\mu$ 상호작용을 통해 $ olimits\nu_e$ 플럭스를 제약하는 데 중점을 둔다.
• 데이터와 내재적 $ olimits\nu_e$ 예측 간의 적합도 검정을 수행하여, 10–20% 수준에서 호환됨을 확인한다.
• 통계적 및 체계적 불확실성을 고려하여, eLEE 모델의 신호 강도 $\mu$에 대한 90% 신뢰구간을 추출하기 위해 Feldman-Cousins 절차를 사용한다.
• 이벤트 구조를 특성화하고 감도를 향상시키기 위해 전자 각도 및 주요 양성자 운동에너지와 같은 운동학적 분포를 분석한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 마이크로부른 검출기에서 최종 상태에 파이온이 없는 비정상적인 전하-전류 $\nolimits\nu_e$ 상호작용이 초과로 관측되는가?
• RQ2 1e0p0$\pi$ 및 1eNp0$\pi$ 채널에서 관측된 데이터가 내재적 $ olimits\nu_e$ 비드 구성 예측보다 eLEE 모델을 지지하는가?
• RQ3 최종 상태의 전자 및 양성자의 운동학적 특성이 잠재적 새로운 물리에 대한 감도에 어떻게 영향을 주는가?
• RQ4 90% 신뢰수준에서 eLEE 모델의 신호 강도 $\mu$는 어느 정도 제약을 받는가?
• RQ5 1e0p0$\pi$ 채널의 저에너지 영역에서 관측된 이벤트 수율은 내재적 $ olimits\nu_e$ 예측과 일치하는가, 아니면 증가를 시사하는가?

주요 결과

• 데이터는 내재적 $ olimits\nu_e$ 상호작용 모델과 일치하며, 적합도 검정 결과 10–20% 수준에서 호환됨을 나타낸다.
• 더 높은 통계량과 순도를 지닌 1eNp0$\pi$ 채널은 eLEE 모델의 신호 강도에 대해 90% 신뢰수준에서 $ olimits\mu < 0.82$의 상한선을 설정한다.
• 1e0p0$\pi$ 채널은 가장 낮은 에너지 영역에서 예측보다 높은 이벤트 수율을 보이며, 90% 신뢰구간이 $ olimits\mu$ 값까지 최대 1.1까지 포함되어 저에너지 초과의 가능성을 시사한다.
• 1eNp0$\pi$ 채널은 eLEE 모델을 97.9% 신뢰수준에서 기각하여 이 채널에서 데이터와의 강한 괴리가 있음을 나타낸다.
• 두 채널의 통합 분석은 eLEE 모델이 내재적 $ olimits\nu_e$ 모델보다 강한 선호를 보이지 않지만, 1eNp0$\pi$ 채널이 감도를 주로 좌우한다.
• 사이드밴드 검증 결과 모든 제어 영역에서 데이터와 시뮬레이션 간 양호한 일치를 보였으며, 이는 검출기 및 플럭스 모델링의 강건성을 뒷받침한다.