[论文解读] The LSND puzzle in the light of MiniBooNE results

Thomas Schwetz|ArXiv.org|May 15, 2008

Superconducting Materials and Applications被引用 3

一句话总结

本文研究了LSND异常——$\bar{\nu}_\mu \to \bar{\nu}_e$ 振荡的证据——与MiniBooNE结果及全球中微子数据的相容性。研究发现，四中微子（3+1）和五中微子（3+2）振荡模型因表观与消失数据之间存在4σ的张力而不被支持，提出CPT破坏的退相干机制（具有能量依赖的阻尼，$\propto E^{-4}$）可与所有数据一致拟合，相容概率达74%，为无菌中微子提供了一个可行的替代方案。

ABSTRACT

I give a brief overview over various attempts to reconcile the LSND evidence for oscillations with all other global neutrino data, including the results from MiniBooNE. I discuss the status of oscillation schemes with one or more sterile neutrinos and comment on various exotic proposals.

研究动机与目标

• 将LSND关于$\bar{\nu}_\mu \to \bar{\nu}_e$ 振荡的信号与MiniBooNE及其他短基线实验的零结果相协调。
• 评估无菌中微子模型（3+1，3+2）在解释LSND异常的同时与全球中微子数据保持一致的可行性。
• 评估CPT破坏、洛伦兹对称性破缺及量子退相干等新物理机制作为LSND信号与MiniBooNE低能过剩的潜在解释。
• 判断MiniBooNE中的低能过剩是否可由新物理解释，特别是无菌中微子或非标准相互作用。
• 通过识别未来高精度振荡实验中可检验的无菌中微子或新物理的特征信号，指导未来实验设计。

提出的方法

• 在四中微子（3+1）和五中微子（3+2）振荡框架下，对包括LSND、MiniBooNE、KARMEN、Bugey、CDHS及大气中微子数据在内的全球中微子振荡数据进行全局拟合。
• 使用$\Delta\chi^2$统计检验方法，比较表观与消失实验在参数空间中的允许区域，发现允许区域边界处$\Delta\chi^2 = 9.3$。
• 提出一种CPT破坏的退相干模型，仅$\nu_3$受影响，退相干强度$\gamma_{13} = \gamma_{23} \equiv \gamma$，且具有$E^{-4}$能量抑制，以在高能区保持标准振荡行为。
• 假设退相干在质量基下为对角形式，且不影响1-2扇区，以确保与太阳中微子及KamLAND数据的一致性。
• 评估退相干模型下表观与消失数据的相容性，发现相容概率为74%，远高于(3+2)振荡模型中的0.18%。
• 识别未来实验中的可检验特征信号：由于阻尼效应，反应堆近探测器中$\theta_{13}$可能呈现零结果，而长基线加速器实验中可能观测到正信号。

实验结果

研究问题

• RQ1 LSND关于$\bar{\nu}_\mu \to \bar{\nu}_e$ 振荡的信号能否在包含MiniBooNE数据的四或五中微子振荡框架内一致解释？
• RQ2 在无菌中微子模型中，表观与消失数据之间的统计张力如何？是否可量化？
• RQ3 具有能量依赖阻尼的CPT破坏退相干能否同时解释LSND信号与MiniBooNE的低能过剩，且与其它中微子数据保持一致？
• RQ4 在未来的反应堆与加速器实验中，CPT破坏或退相干等新物理模型的可检验特征信号是什么？
• RQ5 若存在eV量级的无菌中微子，将如何影响高精度振荡实验的设计与解释？

主要发现

• 由于表观与消失实验之间存在显著张力，(3+1)与(3+2)无菌中微子振荡模型在全局数据中被$4\sigma$水平排除。
• (3+2)振荡模型中表观与消失数据的相容概率仅为0.18%，表明存在强烈的统计不一致。
• 具有$E^{-4}$抑制的CPT破坏退相干模型能以74%的相容概率与所有全局数据一致拟合，显著优于振荡模型。
• 在退相干模型中，LSND信号与混合角$\theta_{13}$相关联，未来长基线实验可对其开展检验。
• 在全局拟合中，MiniBooNE的低能过剩无法由无菌中微子振荡解释，但可能与所提出的退相干模型一致。
• 未来实验如Double-Chooz与NO u A应探索近探测器中可能存在的无菌中微子消失信号，以揭示次级效应。