[论文解读] Hunt for Sterile Neutrinos: Decay at Rest Experiments

F. Suekane|arXiv (Cornell University)|Apr 21, 2016

Neutrino Physics Research参考文献 9被引用 3

一句话总结

本文综述了衰变静止（DAR）中微子实验作为寻找惰性中微子的强大方法，重点关注LSND实验中观测到的反电子中微子（$\overline{\nu}_e$）异常过剩现象，以及下一代实验如JSNS2、OscSNS和KPipe。通过利用$\pi^+$、K+和$\mu^+$在静止状态衰变产生的已知精确中微子能谱，这些实验对$\Delta m^2 > 10^{-2}$ eV$^2$的惰性中微子振荡具有高灵敏度，旨在通过改进背景抑制和探测技术，确认或排除LSND信号。

ABSTRACT

In the standard model of the elementary particles, the number of neutrino flavor is three. However, there have been indications of existence of 4th neutrino, called sterile neutrino, in some neutrino oscillation related experiments. A number of experiments are planned to test whether such indications are true or not. Among them, experiments which use neutrinos from pi+, K+, mu+ decay at rest (DAR) are promising because the energy spectra of neutrinos are very well known and clean oscillation measurements are possible. In this proceedings, properties of such DAR neutrinos and LSND, JSNS2, OscSNS and KPipe experiments are briefly introduced.

研究动机与目标

• 探究惰性中微子的存在，其可能解释标准三味中微子模型无法解释的中微子振荡异常数据。
• 评估衰变静止（DAR）中微子源（由$\pi^+$、K+和$\mu^+$在静止状态下的衰变产生）作为探测惰性中微子振荡的清洁且校准精确的方法的潜力。
• 将下一代DAR实验（JSNS2、OscSNS、KPipe）与LSND实验进行比较，LSND实验报告了$\overline{\nu}_\mu \to \overline{\nu}_e$振荡的正信号，重点比较其灵敏度与设计特性。
• 评估通过高精度时间测量与粒子识别技术，利用$\nu_\mu \to \nu_e$出现通道与$\nu_\mu \to \nu_S$消失通道探测惰性中微子的可行性。

提出的方法

• 利用$\pi^+$、K+和$\mu^+$在静止状态衰变产生的单色中微子束，其产生明确的能谱（例如，$\pi^+$的$E_\nu = 30$ MeV，K+的$E_\nu = 236$ MeV，$\mu^+$的$E_\nu = 52.8$ MeV），从而实现精确的振荡测量。
• 应用严格的定时窗口以分离中微子信号：早期窗口（$<30$ ns）选择来自$\pi^+$/K+ DAR的$\nu_\mu$；后期窗口（$>200$ ns）选择来自$\mu^+$ DAR的$\overline{\nu}_\mu$和$\nu_e$。
• 实施延迟符合探测以识别$\overline{\nu}_e$的出现：例如，先探测$\mu^+$衰变产生的2.2 MeV电子，再在11 ms后探测$^{12}$N的$\beta^+$衰变。
• 使用高发光输出液体闪烁体（如JSNS2中的Gd掺杂）或切伦科夫探测器（如OscSNS和KPipe中所用）通过脉冲形状区分（PSD）或粒子识别来区分信号与背景。
• 通过带电流相互作用中$\nu_\mu$的缺失来测量$\nu_\mu$消失：$\nu_\mu + {}^{12}\text{C} \to \mu^- + X$，其中$\mu^-$在直径3 m、长120 m的圆柱形探测器（KPipe）中被探测。
• 分析$\nu_\mu$通量随$L/E$的变化关系以提取振荡参数，利用DAR中微子独特的尖锐能量特性，避免通量与效率的不确定度。

实验结果

研究问题

• RQ1 下一代衰变静止实验能否确认或排除LSND实验中观测到的$\overline{\nu}_\mu$束中反电子中微子（$\overline{\nu}_e$）事件过剩现象？
• RQ2 JSNS2、OscSNS和KPipe对$\Delta m^2 > 10^{-2}$ eV$^2$的惰性中微子振荡具有多高的灵敏度？
• RQ3 在DAR实验中，特别是来自$\pi^-$和$\mu^-$在静止状态衰变的背景抑制效果如何？
• RQ4 KPipe实验所提出的通过$\nu_\mu$通量在$L/E$上的明确依赖性缺失，能否观测到$\nu_\mu \to \nu_S$的消失通道？
• RQ5 在利用DAR中微子探测惰性中微子时，出现通道与消失通道相比有何相对优势？

主要发现

• LSND实验在$\overline{\nu}_\mu$束中观测到88个$\overline{\nu}_e$事件的过剩，表明$\Delta m^2 > 10^{-2}$ eV$^2$，该现象无法用三味中微子振荡解释，暗示可能存在第四种惰性中微子。
• 预计JSNS2和OscSNS的灵敏度将比LSND提高10倍以上，背景抑制因子分别为$1.1 \times 10^{-4}$和$2.6 \times 10^{-4}$。
• KPipe实验提出使用700吨液体闪烁体探测器，基线为120 m，通过$\nu_\mu + {}^{12}\text{C} \to \mu^- + X$测量$\nu_\mu$消失，对$\Delta m^2 \sim 10^{-2}$ eV$^2$和$\sin^2 2\theta \sim 0.2$具有探测灵敏度。
• OscSNS计划通过12.5 MeV电子与17.3 MeV $\beta^+$的延迟符合探测$\nu_\mu \to \nu_e$的出现，时间窗口为11 ms，能量分辨率$\Delta E/E \approx 3\%$，能量为35 MeV。
• J-PARC MLF处K+ DAR产生的$\nu_\mu$通量在236 MeV处具有高度单色性，可实现通量与效率系统误差极小的$\nu_\mu$消失测量。
• $\pi^-$和$\mu^-$在静止状态衰变产生的背景因靶材料吸收而被抑制约$10^{-3}$倍，残余背景可通过能谱测量进行分析。