[論文レビュー] Search for an Excess of Electron Neutrino Interactions in MicroBooNE Using Multiple Final State Topologies

MicroBooNE collaboration, P. Abratenko+193 more|Lancaster EPrints (Lancaster University)|Oct 26, 2021

Neutrino Physics Research被引用数 6

ひとこと要約

MicroBooNE は、フェルミラブのニュートリノビームの 7×10^20 プロトン・オン・ターゲットのデータを用いて、複数の最終状態トポロジーを用いて電子ニュートリノの相互作用の過剰を探索した。実験では顕著な過剰は観測されず、ミニブーネの低エネルギー過剰を電子ニュートリノの電荷共役相互作用が説明するという仮説は 97% 以上の信頼水準で否定された。包括的 νₑ CC 捐献寄与率の 2σ 上限は 51% であった。

ABSTRACT

We present a measurement of electron neutrino interactions from the Fermilab Booster Neutrino Beam using the MicroBooNE liquid argon time projection chamber to address the nature of the excess of low energy interactions observed by the MiniBooNE collaboration. Three independent electron neutrino searches are performed across multiple single electron final states, including an exclusive search for two-body scattering events with a single proton, a semi-inclusive search for pion-less events, and a fully inclusive search for events containing all hadronic final states. With differing signal topologies, statistics, backgrounds, reconstruction algorithms, and analysis approaches, the results are found to be consistent with the nominal electron neutrino rate expectations from the Booster Neutrino Beam and no excess of electron neutrino events is observed.

研究の動機と目的

• ミニブーネの低エネルギー過剰が νₑ 電荷共役 (CC) 相互作用によって説明可能かどうかを検証すること。
• 過剰がビーム由来の内在的 νₑ CC 相互作用か、バックグラウンド寄与によるものかを調査すること。
• 1e0p0π、1e1p、1eNp0π などの複数の最終状態トポロジーを用いて、信号の識別とバックグラウンドの排除を向上させること。
• データ駆動型のバックグラウンド推定を用いて、ミニブーネ過剰への νₑ CC 相互作用寄与率を制約すること。
• 液体アルゴン時間飛行型プロ野球検出器 (LArTPC) を用いて、νₑ 解釈のモデルに依存しないテストを実施すること。

提案手法

• フェルミラブのニュートリノモードビームの 7×10^20 プロトン・オン・ターゲットのデータを、MicroBooNE の液体アルゴン時間飛行型プロ野球検出器 (LArTPC) で収集した。
• 異なる完全自動化されたイベント再構築ソフトウェアを用いた複数の独立した解析を実施し、共通のデータブラインド方式を採用した。
• 1e0p0π、1e1p (CCQE)、1eNp0π、および包括的 1eX などの最終状態トポロジーを定義し、異なる信号およびバックグラウンド領域を調査した。
• π⁰ および νₘu CC イベントの高統計的サンプルを用いて、データ駆動型の νₑ CC イベント推定を実施し、バックグラウンドを制約した。
• 信号強度 x を統計的モデリングにより計算し、x=1 がミニブーネ過剰の完全な説明に対応するように定義した。
• 1σ および 2σ の信頼区間、および信号なし仮説下での期待される上限を計算し、有意性を評価した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ミニブーネの低エネルギー過剰は、MicroBooNE 検出器における νₑ 電荷共役相互作用と整合的か？
• RQ2 異なる最終状態トポロジーにおいて、ミニブーネ過剰への νₑ CC 相互作用寄与率の上限は何か？
• RQ3 排他的 (1e1p、1eNp0π) および包括的 (1eX) 解析の結果は、νₑ 偽説の制約においてどのように比較されるか？
• RQ4 宇宙線および光子誘発バックグラウンドは、観測されたイベントレートにどの程度寄与しているか？
• RQ5 観測データは予想される νₑ CC 確率と整合的か、顕著な過剰があるか？

主な発見

• あらゆる最終状態トポロジーにおいて、低エネルギー電子ニュートリノ候補の顕著な過剰は観測されなかった。
• 1eNp0π および 1e0p0π チャネルを併合した最良適合信号強度は x = 0.36 であり、2σ 信頼水準では x < 1.86 であった。
• 信号なし仮説下での期待される 2σ 上限は x < 1.37 であり、潜在的信号に対する高い感度を示した。
• MicroBooNE は、排他的および包括的イベントクラスの両方において、νₑ CC 相互作用がミニブーネ過剰を完全に説明するという仮説を 97% 以上の信頼水準で否定した。
• 包括的 νₑ CC 寄与率の 1σ (2σ) 上限はそれぞれ 22% (51%) であり、νₑ CC が主因であるとは考えにくいことを示した。
• 複数の独立した解析において一貫した結果が得られ、すべての測定値は νₑ CC イベントの予測と整合的、あるいはわずかにそれ以下であった。