[論文レビュー] Search for an anomalous excess of charged-current $ u_e$ interactions without pions in the final state with the MicroBooNE experiment

P. Abratenko, R. An+188 more|arXiv (Cornell University)|Oct 26, 2021

Particle physics theoretical and experimental studies被引用数 7

ひとこと要約

本研究では、MicroBooNEの液体アルゴンタイムプロジェクションチェンバで6.86×10²⁰プロトンを標的に照射した際、パイオンを伴わない異常な電子ニュートリノの電荷現在相互作用を探索した。解析の結果、1eNp0πチャンネルには顕著な過剰は認められなかったが、1e0p0πチャンネルでは予測を上回る低エネルギー過剰が観測され、両チャンネルでミニブーンの低エネルギー過剰モデルが90%信頼水準以上で否定された。

ABSTRACT

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

研究の動機と目的

• ミニブーンが観測したニュートリノ相互作用における低エネルギー電磁的過剰の起源を調査すること。
• この過剰が、パイオンを伴わない異常な電子ニュートリノの電荷現在相互作用によって説明可能かどうかを検証すること。
• 最終状態に可視プロトンを含むか含まないかの2つのトポロジーにおける排他的な電荷現在u_e相互作用を測定すること。
• 適合度検定を用いてミニブーンの過剰モデルがMicroBooNEデータと整合するかを評価すること。
• u_e寄与の単純なスケーリングが観測された低エネルギー事象を説明できるかどうかを特定すること。

提案手法

• MicroBooNEの液体アルゴンタイムプロジェクションチェンバで、Pandoraパターン認識ツールキットを用いて再構成されたイベント。
• 最終状態における可視プロトンの有無に基づいたトポロジー特徴に基づくイベント選別。
• 2つの排他的なチャンネルを分析：1eNp0π（1個の電子、1個以上のプロトン、パイオンなし）および1e0p0π（1個の電子、プロトンなし、パイオンなし）。
• 標準のフラックスおよび相互作用モデルの予測とデータを比較するための適合度検定を実施し、両チャンネルを組み合わせた際のp値は0.098を示した。
• ミニブーンの低エネルギー過剰に基づくモデルを構築し、潜在的なu_e信号強度を定量化した。
• 各チャンネルを別々に分析し、感度および過剰モデルとの整合性を評価した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ミニブーンが観測した低エネルギー電磁的過剰は、最終状態にパイオンを伴わない異常なu_e電荷現在相互作用と整合するか？
• RQ2 ミニブーンの過剰は、ニュートリノフラックスにおけるu_e寄与の単純なスケーリングによって説明可能か？
• RQ3 より感度の高い1eNp0πチャンネルは、標準模型予測を上回る過剰を示唆するか？
• RQ4 感度が低くても低エネルギー過剰を示す1e0p0πチャンネルは、ミニブーンモデルを支持するか、あるいは反証するか？
• RQ5 MicroBooNEのデータは、標準的なフラックスおよび相互作用モデルを用いた予測された事象数と整合するか？

主な発見

• 1eNp0πおよび1e0p0πチャンネルを組み合わせた解析では、予測と整合性があり、適合度検定のp値は0.098を示した。
• 1eNp0πチャンネルでは、予測された事象数以下に観測されたが、過剰なしと整合的であった。
• 1e0p0πチャンネルでは、全体のエネルギースペクトルにわたる整合性は保たれているものの、予測を上回る低エネルギー過剰が観測された。
• 両チャンネルを個別に分析した結果、ミニブーンの低エネルギー過剰モデルは90%信頼水準以上で否定された。
• データは、u_e寄与の単純なスケーリングがミニブーンの過剰を説明するものではないことを示唆している。
• 組み合わせ解析において異常なu_e信号の明確な証拠は得られなかったが、ミニブーンの異常を説明する可能性のある解釈を制限した。