[论文解读] A Combined $ν_μ o ν_e$ and $\barν_μ o \barν_e$ Oscillation Analysis of the MiniBooNE Excesses

MiniBooNE Collaboration, A. A. Aguilar-Arevalo+43 more|arXiv (Cornell University)|Jul 19, 2012

Particle accelerators and beam dynamics被引用 228

一句话总结

本文结合了MiniBooNE实验中$ue$和$uebar$的外观数据，在两 neutrino模型中拟合了$umu\to ue$和$\bar{umu}\to\bar{ue}$振荡。在$200 < E_{\nu}^{QE} < 1250$ MeV能量范围内，观测到$240.3 \pm 62.9$个事件的$3.8\sigma$过量，背景仅假设的$\chi^2$概率仅为0.03%，强烈支持与LSND一致的短基线中微子振荡，且最佳拟合点处$\Delta m^2 \sim 0.037$ eV$^2$，$\sin^2 2\theta \approx 1.00$。

ABSTRACT

The MiniBooNE experiment at Fermilab reports results from an analysis of the combined $ν_e$ and $\bar ν_e$ appearance data from $6.46 imes 10^{20}$ protons on target in neutrino mode and $11.27 imes 10^{20}$ protons on target in antineutrino mode. A total excess of $240.3 \pm 34.5 \pm 52.6$ events ($3.8 σ$) is observed from combining the two data sets in the energy range $200

研究动机与目标

• 通过联合振荡分析研究MiniBooNE中$\nue$和$\nuebar$外观数据中过量现象的起源。
• 检验观测到的过量是否能通过两中微子模型中$\numu\to\nue$和$\numu\to\nuebar$振荡（CP守恒）来解释。
• 评估与KARMEN实验的反中微子振荡信号及限制的一致性。
• 量化过量的显著性，并在短基线异常背景下确定$\Delta m^2$和$\sin^2 2\theta$的允许区域。

提出的方法

• 对中微子模式下的$6.46 \times 10^{20}$ POT和反中微子模式下的$11.27 \times 10^{20}$ POT进行联合似然比拟合，使用重建的弹性散射（QE）中微子能量$E_{\nu}^{QE}$。
• 振荡概率建模为$P = \sin^2 2\theta \sin^2(1.27 \Delta m^2 L / E_{\nu})$，假设CP守恒，中微子与反中微子具有相同的参数。
• 通过$\chi^2$概率检验比较背景仅模型与振荡拟合模型，以评估显著性。
• 使用参数空间中的闭合轮廓构建$\Delta m^2$和$\sin^2 2\theta$的频次学置信水平（C.L.）轮廓。
• 分析假设$\nu_{\mu}$、$\bar{\nu}_{\mu}$、$\nu_e$或$\bar{\nu}_e$的消失振荡可忽略不计，从而简化振荡框架。
• 承认核效应和通量建模带来的系统不确定性，但未在拟合中完全考虑。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否通过两中微子模型中的$\numu\to\nue$和$\bar{\numu}\to\bar{\nue}$振荡解释MiniBooNE中$\nue$和$\nuebar$外观的过量？
• RQ2 观测到的过量是否具有统计显著性，与背景仅假设相比如何？
• RQ3 从联合中微子和反中微子数据中提取的振荡参数是否与LSND实验报告的一致？
• RQ4 联合拟合中$\Delta m^2$和$\sin^2 2\theta$的允许区域是什么，与KARMEN的限制相比如何？

主要发现

• 在$200 < E_{\nu}^{QE} < 1250$ MeV能量范围内，总共观测到$240.3 \pm 62.9$个过量事件，显著性为$3.8\sigma$。
• 背景仅假设相对于最佳振荡拟合的$\chi^2$概率仅为0.03%，表明存在强烈的振荡证据。
• 两中微子模型的最佳拟合点为$\Delta m^2 = 0.037$ eV$^2$和$\sin^2 2\theta = 1.00$，适用于联合能量范围。
• 在$200 < E_{\nu}^{QE} < 1250$ MeV范围内的最佳拟合点的$\chi^2/ndf$为24.7/15.6，对应$\chi^2$概率为6.7%。
• $\Delta m^2 < 1$ eV$^2$的允许区域与LSND的$\bar{\nu}_\mu \to \bar{\nu}_e$允许区域以及KARMEN限制一致。
• 对中微子和反中微子模式分别进行拟合，得到的最佳拟合点分别为$\Delta m^2 = 3.14$ eV$^2$，$\sin^2 2\theta = 0.002$和$\Delta m^2 = 0.05$ eV$^2$，$\sin^2 2\theta = 0.842$，其$\chi^2$概率分别为6.1%和67.5%。