[论文解读] BEAMING NEUTRINO AND ANTINEUTRINOS ACROSS THE EARTH TO FOCUS MUON-TAU FLAVOR MIXING AND TO DISENTANGLE CPT VIOLATION PUZZLE

Daniele Fargion, P. Desiati+1 more|arXiv (Cornell University)|Dec 15, 2010

Neutrino Physics Research参考文献 4被引用 1

一句话总结

本文提出了一项通过地心传输的长基线中微子-反中微子束实验，目标是利用μ子到τ子的味转变检验CPT对称性是否被破坏。若CPT对称性被破坏，预测在35 GeV以上能量区域，反中微子消失率将减少14%，相当于一年内达到3.5σ的显著性，为标准模型之外的新物理提供一种灵敏探测手段。

ABSTRACT

A new result from the (MINOS Collaboration 2010) seems to hint at a different anti-neutrino mass splitting and different mixing angle with respect to the neutrino. This result has deep consequences because it could indicate CPT theorem violation and/or new anti-neutrino interaction physics (Shinji et al. 2010). We have considered the effect that this novel (i.e. CPT-violated) neutrino oscillation should have in the atmospheric neutrino flux in DeepCore. Above E� > 35 GeV a fraction of ¯µ ! µ + would be reduced almost 14% with respect to the standard CPT-conserved case, equivalent to a nearly 3.5� effect for one year of data collected by DeepCore. In order to significantly increase the discovery potential, we propose a future long baseline experiment with a beam of �µ and ¯ �µ through the Earth in the direction of DeepCore at the South Pole, to test their disappearance or (for CPT violation) the ¯ �µ appearance at the longest distances, compatible with present sources and tuned to DeepCore minimal detectable energies. Such an experiment will measure �� and ¯ �� appearance as ��

研究动机与目标

• 通过地心传输的长基线μ子中微子与反中微子束，检验中微子振荡中的CPT对称性是否被破坏。
• 研究近期MINOS实验结果所暗示的中微子与反中微子质量分裂和混合角不同的影响。
• 通过将束流调整至DeepCore探测器的最低可探测能量，增强对新物理的发现潜力。
• 测量中微子与反中微子的消失，以及关键的反中微子出现（¯μ → μ）作为CPT对称性破坏的信号。
• 通过精确的长基线测量，区分CPT对称性破坏的振荡与新的反中微子相互作用物理。

提出的方法

• 提出将μ子中微子与反中微子束通过地心传输至南极的DeepCore探测器。
• 使用与现有加速器源兼容的基线距离，优化以匹配DeepCore的最低可探测能量阈值。
• 分析中微子与反中微子通过地心传播后的预期通量，重点关注味转变过程。
• 计算在CPT对称性破坏情景下，相比标准CPT守恒情况，¯μ → μ出现率的预期减少量。
• 估计CPT破坏信号的统计显著性，发现在一年数据收集中，反中微子消失率减少14%时，显著性可达3.5σ。
• 将预测的CPT破坏信号与标准模型预期进行比较，评估其发现潜力。

实验结果

研究问题

• RQ1 通过地心传输的长基线μ子中微子与反中微子束，能否通过增强的¯μ → μ出现现象揭示CPT对称性破坏？
• RQ2 DeepCore在35 GeV以上能量区域对CPT破坏性中微子振荡的预期灵敏度如何？
• RQ3 与标准CPT守恒情况相比，预测的反中微子消失率减少14%在统计显著性上意味着什么？
• RQ4 该实验能否将CPT对称性破坏与新的反中微子相互作用物理区分开来？
• RQ5 何种基线与能量配置能最大化长基线中微子实验中CPT破坏的发现潜力？

主要发现

• CPT对称性破坏情景预测，在35 GeV以上能量区域，反中微子消失率（¯μ → μ）相比标准CPT守恒情况将减少14%。
• 此14%的减少量在DeepCore一年的数据收集中对应近3.5σ的显著性，使其成为一种高度灵敏的探测手段。
• 所提出的实验针对DeepCore的最低可探测能量进行了优化，最大限度提升了对长基线CPT破坏效应的灵敏度。
• 通过同时测量中微子与反中微子的消失和出现，该方法能够将CPT对称性破坏与新的反中微子相互作用物理区分开来。
• 该实验旨在检验MINOS（2010年）报告的异常现象，该现象暗示中微子与反中微子的质量分裂和混合角存在差异。
• 预测的信号具有鲁棒性且可被现有加速器源实现，使其成为检验基本对称性的一项切实可行的下一步措施。