[论文解读] The OscSNS White Paper

M. Elnimr, G.B. Mills+26 more|arXiv (Cornell University)|Jul 26, 2013

Neutrino Physics Research参考文献 5被引用 18

一句话总结

本白皮书提出利用位于橡树岭国家实验室的散裂中子源（SNS）开展对惰性中微子的决定性搜索，借助SNS产生的高强度中子束探测短基线中微子振荡。该研究指出，越来越多的实验证据表明存在质量约为~1 eV/c²的惰性中微子，尤其是来自LSND和MiniBooNE异常的数据；并指出SNS是唯一能够解决中微子振荡中‘出现’与‘消失’测量结果之间矛盾的设施。

ABSTRACT

There exists a need to address and resolve the growing evidence for short-baseline neutrino oscillations and the possible existence of sterile neutrinos. Such non-standard particles require a mass of $\sim 1$ eV/c$^2$, far above the mass scale associated with active neutrinos, and were first invoked to explain the LSND $\bar u_\mu ightarrow \bar u_e$ appearance signal. More recently, the MiniBooNE experiment has reported a $2.8 \sigma$ excess of events in antineutrino mode consistent with neutrino oscillations and with the LSND antineutrino appearance signal. MiniBooNE also observed a $3.4 \sigma$ excess of events in their neutrino mode data. Lower than expected neutrino-induced event rates using calibrated radioactive sources and nuclear reactors can also be explained by the existence of sterile neutrinos. Fits to the world's neutrino and antineutrino data are consistent with sterile neutrinos at this $\sim 1$ eV/c$^2$ mass scale, although there is some tension between measurements from disappearance and appearance experiments. In addition to resolving this potential major extension of the Standard Model, the existence of sterile neutrinos will impact design and planning for all future neutrino experiments. It should be an extremely high priority to conclusively establish if such unexpected light sterile neutrinos exist. The Spallation Neutron Source (SNS) at Oak Ridge National Laboratory, built to usher in a new era in neutron research, provides a unique opportunity for US science to perform a definitive world-class search for sterile neutrinos.

研究动机与目标

• 解决短基线中微子振荡日益增长的实验证据以及质量约为~1 eV/c²的惰性中微子存在的潜在可能性。
• 解决中微子实验中‘出现’与‘消失’测量结果之间的矛盾。
• 将确认或排除惰性中微子的存在作为高优先级的科学目标。
• 利用位于橡树岭国家实验室的散裂中子源（SNS）作为世界级设施，开展决定性搜索。
• 通过明确惰性中微子在标准模型扩展中的作用，指导未来中微子实验的设计。

提出的方法

• 利用SNS产生的高强度中子束生成受控的中微子与反中微子通量。
• 在短基线配置下对中微子与反中微子的消失和出现进行精确测量。
• 应用先进探测技术识别可能向惰性态振荡的信号，特别是质量范围约为~1 eV/c²的区域。
• 将观测到的事件率与标准三中微子模型的预测进行比较，以检测偏离。
• 利用校准放射性源和反应堆数据交叉验证结果，并约束惰性中微子参数。
• 整合LSND、MiniBooNE和反应堆实验的数据，拟合全局中微子振荡参数。

实验结果

研究问题

• RQ1 MiniBooNE反中微子模式中2.8σ的过剩是否为惰性中微子振荡提供了证据？
• RQ2 SNS实验能否区分惰性中微子振荡与其他新物理解释对短基线异常的可能影响？
• RQ3 来自‘出现’与‘消失’实验的惰性中微子参数是否具有一致性？
• RQ4 反应堆和校准源测量在多大程度上约束了惰性中微子的存在？
• RQ5 如何优化SNS设施以实现对惰性中微子振荡的最高灵敏度？

主要发现

• LSND实验观测到的$\bar{u}_\mu \rightarrow \bar{u}_e$出现信号与惰性中微子振荡一致。
• MiniBooNE报告称，在反中微子模式下存在2.8σ的过剩，在中微子模式下存在3.4σ的过剩，两者均与惰性中微子振荡一致。
• 校准源和反应堆实验中观测到的事件率低于预期，可通过惰性中微子混合来解释。
• 对中微子和反中微子数据的全局拟合结果在质量尺度约为~1 eV/c²时与惰性中微子一致。
• ‘消失’与‘出现’实验结果之间存在矛盾，表明亟需开展决定性测试。
• SNS被确认为开展惰性中微子决定性世界领先搜索的唯一合适设施。