[논문 리뷰] Search for an Excess of Electron Neutrino Interactions in MicroBooNE Using Multiple Final State Topologies

MicroBooNE collaboration, P. Abratenko외 193명|Lancaster EPrints (Lancaster University)|2021. 10. 26.

Neutrino Physics Research인용 수 6

한 줄 요약

MicroBooNE는 페르미랩의 7×10^20 프로톤-타겟에서 발생하는 전자 뉴트리노 상호작용의 과잉을 여러 최종 상태 위상공간에서 탐색한다. 실험은 유의미한 과잉을 관측하지 못했으며, MiniBooNE의 저에너지 과잉을 전자 뉴트리노의 전하형인 상호작용이 설명할 수 없다는 가설을 97% 이상의 신뢰수준에서 기각한다. 포함된 νₑ CC 기여도에 대한 2σ 상한은 51%이다.

ABSTRACT

We present a measurement of electron neutrino interactions from the Fermilab Booster Neutrino Beam using the MicroBooNE liquid argon time projection chamber to address the nature of the excess of low energy interactions observed by the MiniBooNE collaboration. Three independent electron neutrino searches are performed across multiple single electron final states, including an exclusive search for two-body scattering events with a single proton, a semi-inclusive search for pion-less events, and a fully inclusive search for events containing all hadronic final states. With differing signal topologies, statistics, backgrounds, reconstruction algorithms, and analysis approaches, the results are found to be consistent with the nominal electron neutrino rate expectations from the Booster Neutrino Beam and no excess of electron neutrino events is observed.

연구 동기 및 목표

• MiniBooNE의 전자 뉴트리노 상호작용에서 관측된 저에너지 과잉이 νₑ 전하형인 상호작용으로 설명될 수 있는지 테스트하는 것.
• 과잉이 빔으로부터의 내재된 νₑ CC 상호작용 또는 배경 기여로 인한 것인지 조사하는 것.
• 다양한 최종 상태 위상공간(예: 1e0p0π, 1e1p, 1eNp0π)을 사용하여 신호 식별 및 배경 제거를 향상시키는 것.
• 데이터 기반 배경 추정을 통해 MiniBooNE 과잉에 대한 νₑ CC 상호작용 기여도를 제약하는 것.
• 액체 헬륨 시간 영역 카메라(LArTPC)를 사용하여 νₑ 해석에 대한 모델에 종속되지 않는 테스트를 수행하는 것.

제안 방법

• Fermilab의 뉴트리노 모드 빔으로부터 7×10^20 프로톤-타겟을 사용하여 수집한 MicroBooNE 액체 헬륨 시간 영역 카메라(LArTPC) 데이터를 활용하였다.
• 서로 다른 완전 자동화된 이벤트 재구성 소프트웨어를 사용하고 공통된 데이터 망각 전략을 적용한 다수의 독립적 분석을 수행하였다.
• 1e0p0π, 1e1p(CCQE), 1eNp0π, 그리고 포함된 1eX와 같은 최종 상태 위상공간을 정의하여 다양한 신호 및 배경 영역을 탐색하였다.
• π⁰ 및 νₘu CC 이벤트의 고통계 샘플을 사용하여 데이터 기반으로 νₑ CC 이벤트를 추정하고 배경를 제약하였다.
• 신호 강도 x를 통계 모델링을 통해 계산하였으며, x=1은 MiniBooNE 과잉을 완전히 설명하는 경우에 해당한다.
• 1σ 및 2σ 신뢰구간과 무신호 가설 하에서의 기대 상한을 계산하여 유의미성을 평가하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 MiniBooNE 저에너지 과잉은 MicroBooNE 검출기에서 νₑ 전하형인 상호작용과 일치하는가?
• RQ2 다양한 최종 상태 위상공간에서 νₑ CC 상호작용이 MiniBooNE 과잉에 기여하는 상한은 무엇인가?
• RQ3 독립적(1e1p, 1eNp0π) 및 포함적(1eX) 분석 결과는 νₑ 가설을 제약하는 데 어떻게 비교되는가?
• RQ4 우주선 및 광자 유도 배경은 관측된 이벤트 수준에 얼마나 기여하는가?
• RQ5 관측된 데이터는 기대되는 νₑ CC 비율과 일치하는가, 아니면 유의미한 과잉을 보이는가?

주요 결과

• 모든 최종 상태 위상공간에서 저에너지 전자 뉴트리노 후보의 유의미한 과잉은 관측되지 않았다.
• 1eNp0π 및 1e0p0π 채널을 병합한 최적의 신호 강도는 x = 0.36이며, 2σ 신뢰수준에서 x < 1.86이다.
• 무신호 가설 하에서의 기대 2σ 상한은 x < 1.37이며, 잠재적 신호에 대한 높은 민감도를 나타낸다.
• MicroBooNE는 독립적 및 포함적 이벤트 클래스 모두에서 νₑ CC 상호작용이 MiniBooNE 과잉을 완전히 설명할 수 없다는 가설을 >97% 신뢰수준에서 기각하였다.
• MiniBooNE 과잉에 대한 포함된 νₑ CC 기여도에 대한 1σ(2σ) 상한은 각각 22%(51%)이며, 이는 νₑ CC가 주요 기여원이 될 수 없음을 시사한다.
• 여러 독립적 분석 간에 결과가 일관되며, 모든 측정치는 νₑ CC 이벤트에 대한 예측과 일치하거나 약간 낮은 수준에 있다.