[论文解读] Radiative decay of heavy neutrinos at MiniBooNE and MicroBooNE

Luis Alvarez-Ruso, Eduardo Saul-Sala|arXiv (Cornell University)|Apr 30, 2017

Particle physics theoretical and experimental studies被引用 6

一句话总结

本文提出，MiniBooNE 中观测到的电子样过剩可能源于在 $\nu_\mu$-核子散射过程中通过电磁和弱相互作用产生的 50 MeV 无右手中微子 ($ ue_h$) 的辐射衰变。该模型预测 $ ue_h$ 衰变会产生独特的光子能量和角分布，由于 MicroBooNE 具备光子分辨能力，预期将产生显著信号，为该异常现象提供可检验的解释。

ABSTRACT

The MiniBooNE experiment reported results from the analysis of $ν_e$ and $\overlineν_e$ appearance searches, which showed an excess of signal-like events at low reconstructed neutrino energies with respect to the expected background. A proposed explanation for this anomaly is based on the existence of a heavy ($\sim 50$~MeV) sterile neutrino. These $ν_h$ would be produced by $ν_μ$ electromagnetic and neutral current interactions. A fraction of them decays radiatively inside the detector. The emitted photon is misidentified as an electron or positron in MiniBooNE. We have investigated the $ν_h$ production by coherent and incoherent electroweak interactions at the MiniBooNE and MicroBooNE targets, CH$_2$ and Ar, respectively. Studying the $ν_h$ propagation inside the detector, we obtain the energy and angular distributions of emitted photons for a choice of model parameters. The distinctive shape and total number of photon events from this mechanism at MicroBooNE makes its experimental investigation possible.

研究动机与目标

• 研究是否可通过一个质量约为 50 MeV 的重无右手中微子 ($m_h \sim 50$ MeV) 的辐射衰变来解释 MiniBooNE 中电子样事例的过剩。
• 计算 $ ue_h$ 在 $^{12}$C（MiniBooNE）和 $^{40}$Ar（MicroBooNE）靶上的 $ ue_\mu$-核子散射中，通过电磁和弱相互作用的产生截面。
• 模拟 $ ue_h$ 在探测器内部的传播及其辐射衰变过程，预测光子能量和角分布。
• 将理论光子事例谱与 MiniBooNE 实验数据进行比较，考虑探测器效率和接受度修正。
• 评估 MicroBooNE 实验利用其优越的光子识别能力，对 $ ue_h$ 辐射衰变假说进行检验的潜力。

提出的方法

• 使用有效拉格朗日量，通过过渡磁矩 $\mu_{\text{tr}}^\mu = 2.4 \times 10^{-9} \mu_B$ 来建模 $ ue_h$ 的电磁产生过程。
• 利用电子-核子弹性散射数据导出的核子形因子，计算相干和非相干 $ ue_h$ 产生截面。
• 采用局域密度近似，通过粒子- hole 激发来建模有限核中的非相干散射。
• 采用标准弱相互作用流，轴向形因子取为 $M_A = 1$ GeV，矢量形因子与电磁数据匹配。
• 使用寿命 $\tau = 5 \times 10^{-9}$ s 跟踪 $ ue_h$ 的传播与辐射衰变，假设衰变光子与 $ ue_h$ 自旋方向相反发射。
• 利用实测中微子通量和探测器特异性效率修正，模拟 MiniBooNE 和 MicroBooNE 中的光子能量与角分布。

实验结果

研究问题

• RQ1 50 MeV 无右手中微子的辐射衰变是否可以在不引入中微子振荡的情况下，解释 MiniBooNE 中的电子样过剩？
• RQ2 电磁和弱相互作用在 $ ue_\mu$-核子散射中对 $^{12}$C 和 $^{40}$Ar 上 $ ue_h$ 产生的贡献如何？
• RQ3 在 MiniBooNE 和 MicroBooNE 探测器中，$ ue_h$ 辐射衰变的预测光子能量和角分布为何？
• RQ4 探测器效率如何影响理论预测与 MiniBooNE 中观测到的光子样事例之间的符合程度？
• RQ5 由于具备光子识别能力，MicroBooNE 是否能够将 $ ue_h$ 辐射衰变信号与常规本底区分开？

主要发现

• 在 $^{12}$C 上，电磁相干产生主导低 $q^2$ 区域的截面，导致光子角分布强烈向前集中。
• 在 $\nu$-模式下，该模型低估了 MiniBooNE 的过剩，而在 $\overline{\nu}$-模式下符合良好，表明存在参数调谐的潜力。
• 电磁相干贡献产生狭窄的角分布，与 MiniBooNE 数据不一致，除非调整参数，否则存在张力。
• 非相干弱相互作用过程主导了弱相互作用截面，对 $ ue_h$ 产生有显著贡献。
• 预测 MicroBooNE 将观测到来自 $ ue_h$ 衰变的显著光子事例谱，其形状和总事例数明显区别于标准本底。
• 在 $N_{\text{POT}} = 6.6 \times 10^{20}$ 条件下，预测的 MicroBooNE 光子事例数足够大，可在当前灵敏度下进行实验检验。