[论文解读] Closing the Neutrino "BSM Gap": Physics Potential of Atmospheric Through-Going Muons at DUNE

A. Schneider, Barbara Skrzypek+2 more|arXiv (Cornell University)|Jun 2, 2021

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 83被引用 7

一句话总结

本文提出，DUNE 远端探测器可利用穿行μ子探测50 GeV–1 TeV大气中微子能量区间内的新物理（BSM）现象。通过利用高分辨率液氩时间投影室（LArTPC）技术，重建μ子因电离和簇射造成的能量损失，DUNE 可探测此前在该能量窗口内无法测量的新物理信号，如惰性中微子和洛伦兹对称性破坏。

ABSTRACT

Many Beyond-Standard Model physics signatures are enhanced in high-energy neutrino interactions. To explore these signatures, ultra-large Cherenkov detectors such as IceCube exploit event samples with charged current muon neutrino interactions > 1 TeV. Most of these interactions occur below the detector volume, and produce muons that enter the detector. However, the large spacing between detectors leads to inefficiency for measuring muons with energies below or near the critical energy of 400 GeV. In response, IceCube has built a densely instrumented region within the larger detector. This provides large samples of well-reconstructed interactions that are contained within the densely instrumented region, extending up to energies of ~50 GeV. This leaves a gap of relatively unexplored atmospheric-neutrino events with energies between 50 GeV and 1 TeV in the ultra-large detectors. In this paper we point out that interesting Beyond Standard Model signatures may appear in this energy window, and that early running of the DUNE far detectors can give insight into new physics that may appear in this range.

研究动机与目标

• 识别并量化大气穿行μ子在50 GeV–1 TeV能量范围内的物理潜力，该区域目前尚未被超大型中微子探测器探索。
• 证明DUNE的液氩时间投影室（LArTPC）技术能够以足够分辨率重建该能区的μ子能量，从而探测BSM信号。
• 推动开发适用于50–1000 GeV能量范围的μ子能量重建算法，以实现对非标准中微子相互作用和洛伦兹对称性破坏的灵敏探测。
• 通过利用DUNE的高颗粒度和深地下的位置，填补大气中微子研究中的“BSM能隙”。

提出的方法

• 利用DUNE远端探测器中的LArTPC技术，测量μ子穿过14米液氩时的电离和簇射能量损失。
• 在初始μ子能量为100–1000 GeV的范围内，建模μ子通过电离（δ射线）、对产生、轫致辐射和强子-光子过程的能量损失。
• 使用模拟的μ子轨迹估算能量沉积和簇射生成，简单计数方法的预期能量分辨率约为40%，可通过机器学习进一步提升。
• 借鉴MicroBooNE的语义分割技术，从LArTPC数据中识别并重建低能簇射和δ射线。
• 使用LeptonInjector和MCEq的蒙特卡罗模拟，建模大气中微子通量及μ子在液氩中的相互作用。
• 评估探测BSM信号所需的能量分辨率，重点聚焦于惰性中微子探测和洛伦兹对称性破坏。

实验结果

研究问题

• RQ1 DUNE的LArTPC探测器能否以足够精度重建50–1000 GeV范围内的μ子能量，以探测BSM物理？
• RQ2 DUNE在大气中微子能隙中，特别是50–1000 GeV范围内，对惰性中微子振荡的灵敏度如何？
• RQ3 DUNE能否通过穿行μ子事件中能量相关的各向异性的特征，探测洛伦兹对称性破坏的信号？
• RQ4 在该能区，LArTPC中通过电离和簇射测量的能量分辨率与IceCube和Super-K等现有探测器相比如何？
• RQ5 为实现该能区内BSM物理所需的能量分辨率，需要采用何种重建技术？

主要发现

• 一个50 GeV的穿行μ子在2米液氩中沉积的平均能量为56 MeV，可通过LArTPC中的电离和簇射过程分辨。
• 简单计数能量损失的预期能量分辨率为约40%，但通过使用机器学习的先进重建方法可显著提升。
• DUNE的14米长LArTPC模块非常适合分辨100–1000 GeV范围内的μ子簇射和δ射线，从而实现能量重建。
• 本研究证明，若仅依赖天顶角信息，惰性中微子和洛伦兹对称性破坏等BSM信号可能被完全遗漏，凸显了能量分辨率的重要性。
• DUNE的高颗粒度和本征体积使其在探测50–1000 GeV能隙方面具有独特优势，而该区域目前尚未被IceCube和Super-K探索。
• 本研究为开发DUNE中专用的μ子能量重建算法提供了强有力的物理动机，有望在大气中微子能量窗口中发现新物理。