[论文解读] Search for an anomalous excess of charged-current $ν_e$ interactions without pions in the final state with the MicroBooNE experiment

MicroBooNE collaboration, P. Abratenko+189 more|arXiv (Cornell University)|Oct 26, 2021

Particle physics theoretical and experimental studies被引用 6

一句话总结

本文使用费米国家加速器实验室的MicroBooNE液氩时间投影室（LArTPC）探测器，对末态无π介子的异常电子中微子（$\nu_e$）相互作用进行了搜索。分析结果显示，与预期的本征$\nu_e$相互作用相比，未发现显著过量，但在低能区1e0p0$\pi$通道中观察到可能的增强，其90%置信区间覆盖的信号强度高达$\mu = 1.1$；而灵敏度更高的1eNp0$\pi$通道在90%置信水平下给出$\mu < 0.82$的上限，表明在97.9%置信水平下排除了eLEE模型。

ABSTRACT

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

研究动机与目标

• 在MicroBooNE LArTPC探测器中搜索末态无π介子的异常带电费米子$\nu_e$相互作用。
• 通过将数据与费米国家加速器实验室加速器中微子束（Fermilab Booster Neutrino Beam）的本征$\nu_e$相互作用预测进行比较，检验电子中微子出现（eLEE）模型。
• 利用多个侧带控制区域验证探测器响应和中微子相互作用建模。
• 使用Feldman-Cousins置信区间测量eLEE模型的信号强度$\mu$。
• 评估低能区电子样事例与本征$\nu_e$束流成分的一致性，以及潜在的新物理。

提出的方法

• 利用MicroBooNE LArTPC探测器在费米国家加速器实验室加速器中微子束（BNB）下的数据，总质子靶剂量约为~1.8×10^20。
• 采用两种主要信号选择：1e0p0$\pi$（一个电子，零个质子，零个π介子）和1eNp0$\pi$（一个电子，至少一个质子，零个π介子）。
• 使用侧带区域验证探测器响应、中微子通量和截面建模，特别是用于约束$\nu_\mu$相互作用以推断$\nu_e$通量。
• 通过拟合优度检验比较数据与本征$\nu_e$预测，结果在10–20%水平上相容。
• 采用Feldman-Cousins方法提取eLEE模型中信号强度$\mu$的90%置信区间，考虑统计与系统误差。
• 分析电子角度和主导质子动能等运动学分布，以表征事例拓扑并提高灵敏度。

实验结果

研究问题

• RQ1 在MicroBooNE探测器中，是否存在末态无π介子的异常带电费米子$\nu_e$相互作用的过量？
• RQ2 在1e0p0$\pi$和1eNp0$\pi$通道中观测到的数据是否更倾向于支持eLEE模型而非本征$\nu_e$束流成分预测？
• RQ3 末态电子和质子的运动学特性在多大程度上影响对潜在新物理的灵敏度？
• RQ4 在90%置信水平下，数据能在多大程度上约束eLEE模型的信号强度$\mu$？
• RQ5 1e0p0$\pi$通道低能区的观测事例率是否与本征$\nu_e$预测一致，或显示出增强迹象？

主要发现

• 数据与本征$\nu_e$相互作用模型一致，拟合优度检验显示在10–20%水平上相容。
• 1eNp0$\pi$通道具有更高的统计量和纯度，其在90%置信水平下对eLEE模型的信号强度给出上限$\mu < 0.82$。
• 1e0p0$\pi$通道在最低能区显示出高于预测的事例率，其90%置信区间覆盖的$\mu$值最高达1.1，表明可能存在低能区过量。
• 1eNp0$\pi$通道在97.9%置信水平下排除了eLEE模型，表明该通道与数据存在显著张力。
• 两通道联合分析未显示出对eLEE模型相对于本征$\nu_e$模型的强烈偏好，但1eNp0$\pi$通道主导了整体灵敏度。
• 侧带验证显示，所有控制区域中数据与模拟结果良好一致，支持探测器和通量建模的稳健性。