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

P. Abratenko, R. An외 188명|arXiv (Cornell University)|2021. 10. 26.

Particle physics theoretical and experimental studies인용 수 7

한 줄 요약

이 연구는 미세보운(MicroBooNE)의 액체 헬륨 시간 영역 카메라에서 6.86×10²⁰개의 프로톤을 대상으로 하여 π를 포함하지 않는 비정상적인 전자 뉴트리노의 전하 교환 상호작용을 탐색한다. 분석 결과, 1eNp0π 채널에서는 유의미한 초과가 없었고, 1e0p0π 채널에서는 예측을 초월하는 저에너지 초과가 관측되었으며, 이는 양측 채널에서 MiniBooNE의 저에너지 초과 모델을 90% 이상의 신뢰수준에서 배제한다.

ABSTRACT

This article presents a measurement of $ u_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$0$\pi$) and without (1$e$0$p$0$\pi$) visible final-state protons using 6.86$ 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 $ u_e$ excess. The analysis suggests that if an excess is present, it is not consistent with a simple scaling of the $ u_e$ contribution to the flux. Combined, the 1$e$N$p$0$\pi$ and 1$e$0$p$0$\pi$ channels do not give a conclusive indication about the tested model, but separately they both disfavor the low-energy excess model at $>$90% CL. The observation in the most sensitive 1$e$N$p$0$\pi$ channel is below the prediction and consistent with no excess. In the less sensitive 1$e$0$p$0$\pi$ channel the observation at low energy is above the prediction, while overall there is agreement over the full energy spectrum.

연구 동기 및 목표

• MiniBooNE가 뉴트리노 상호작용에서 관측한 저에너지 전자기적 초과의 기원을 조사하기 위해.
• 이 초과가 π를 포함하지 않는 비정상적인 전자 뉴트리노의 전하 교환 상호작용으로 설명될 수 있는지 테스트하기 위해.
• 두 가지 최종 상태 위상도에서 배제된 전하 교환 u_e 상호작용을 측정하기 위해: 비타이어 프로톤이 있는 경우와 없는 경우.
• 적합도 검정을 통해 MiniBooNE 초과 모델이 MicroBooNE 데이터와 얼마나 일치하는지 평가하기 위해.
• 관측된 저에너지 사건들을 설명하기 위해 u_e 기여를 단순 스케일링할 수 있는지 확인하기 위해.

제안 방법

• MicroBooNE의 액체 헬륨 시간 영역 카메라에서 Pandora 패턴 인식 툴킷을 사용해 재구성된 사건.
• 최종 상태에서 눈에 보이는 프로톤의 유무와 같은 위상적 특징을 기반으로 사건을 선별.
• 두 가지 배제된 채널을 분석: 1eNp0π(한 개의 전자, 한 개 이상의 프로톤, π 없음) 및 1e0p0π(한 개의 전자, 프로톤 없음, π 없음).
• 표준 조건 및 상호작용 모델 예측과 데이터를 비교하기 위해 적합도 검정을 사용하여, 두 채널을 통합했을 때 p-값이 0.098를 얻음.
• MiniBooNE의 저에너지 초과를 정량화하기 위해 u_e 신호 강도를 추정하는 모델을 구축.
• 각 채널에 대해 별도로 분석하여 감도 및 초과 모델과의 일치성을 평가함.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 MiniBooNE가 관측한 저에너지 전자기적 초과는 최종 상태에 π를 포함하지 않는 비정상적인 u_e 전하 교환 상호작용과 일치하는가?
• RQ2 MiniBooNE의 초과는 뉴트리노 조건에서 u_e 기여를 단순 스케일링으로 설명할 수 있는가?
• RQ3 더 민감한 1eNp0π 채널은 표준 모델 예측을 초월하는 초과 증거를 보이는가?
• RQ4 저에너지 초과가 관측되는 덜 민감한 1e0p0π 채널은 MiniBooNE 모델을 지지하는가, 아니면 반박하는가?
• RQ5 MicroBooNE 데이터는 명시된 조건 및 상호작용 모델을 사용했을 때 예측된 사건 수와 일치하는가?

주요 결과

• 1eNp0π 및 1e0p0π 채널을 통합했을 때 예측과 일치하며, 적합도 검정에서 p-값이 0.098를 기록함.
• 1eNp0π 채널은 예측된 사건 수 이하의 관측을 보이며, 초과가 없음을 뒷받침함.
• 1e0p0π 채널은 전체 에너지 스펙트럼에서의 일치가 관찰됨에도 불구하고, 예측을 초월하는 저에너지 초과를 보임.
• 양측 채널에서 별도로 MiniBooNE의 저에너지 초과 모델을 90% 이상의 신뢰수준에서 배제함.
• MiniBooNE 초과의 원인으로 단순한 u_e 기여 스케일링을 지지하는 데이터 없음.
• 통합 분석에서 비정상적인 u_e 신호에 대한 확실한 증거는 발견되지 않았지만, 결과는 MiniBooNE 이상 현상에 대한 가능한 설명을 제약함.