[论文解读] Discriminating between nu_mu nu_tau and nu_mu nu_sterile in atmospheric nu_mu oscillations with the Super-Kamiokande detector

A. Habig|arXiv (Cornell University)|Jun 5, 2001

Neutrino Physics Research被引用 4

一句话总结

本文利用超级神冈探测器的三项独立分析，区分μ子中微子振荡为τ子中微子（$uf{\mu} \leftrightarrow \nuf{\tau}$）与振荡为惰性中微子（$uf{\mu} \leftrightarrow \nuf{sterile}$）的可能性。结果强烈支持$uf{\mu} \leftrightarrow \nuf{\tau}$振荡，未发现显著的τ轻子出现信号，尽管三项τ出现搜索均显示出约2σ的超额，与预期一致。

ABSTRACT

A strong body of evidence now exists for atmospheric nu_mu disappearance oscillations. Such disappearance could be explained by oscillations to either nu_tau or a ``sterile'' neutrino (nu_s). Super-Kamiokande uses three different methods to distinguish between these two scenarios. First, matter effects would suppress the nu_mu nu_s oscillation amplitude at high energy. Second, oscillation to nu_s would reduce the overall neutral-current neutrino interaction rate. Third, the smoking gun of nu_mu nu_tau oscillations would be the observation of tau appearance resulting from charged-current nu_tau interactions. The results of these three techniques are presented, which strongly favor nu_mu nu_tau oscillations over nu_mu nu_s.

研究动机与目标

• 区分$ν_\mu \to \nu_\tau$与$ν_\mu \to \nu_{sterile}$振荡作为大气中微子$ν_\mu$消失现象的解释。
• 检验观测到的$ν_\mu$消失是否由振荡至弱相互作用的惰性中微子引起，或由已知的$ν_\tau$引起。
• 通过带电当前相互作用产生τ轻子的直接证据搜索$ν_\tau$出现。
• 评估数据与$ν_\mu \to \nu_\tau$振荡相比，是否存在次要的惰性中微子成分的一致性。
• 评估物质效应和中性流相互作用对区分两种假设的影响。

提出的方法

• 分析完全包含（FC）单环事例，测量作为能量和基线函数的$ν_\mu$消失，拟合至$(\sin^2 2\theta, \Delta m^2)$参数空间中的$χ^2$。
• 使用富含中性流（NC）事例的样本，检验在$ν_\mu \to \nu_{sterile}$假设下NC相互作用是否出现抑制，因为$ν_{sterile}$不参与NC相互作用。
• 应用物质效应分析，在高能区抑制$ν_\mu \to \nu_{sterile}$振荡，因为物质会抑制惰性振荡，但不会抑制$ν_\tau$振荡。
• 使用基于似然函数重建、神经网络和能量流/喷注寻找算法三种独立的τ出现搜索方法，识别τ衰变特征。
• 将五个$\cos\Theta$窗口（用于选择向上运动的$ν_\tau$）中的观测事例率与MC预期进行比较，包括和不包括$τ$出现的情况。
• 结合三项分析的结果，评估潜在$τ$出现超额的显著性，承认各方法之间存在高度相关性。

实验结果

研究问题

• RQ1 大气中微子观测到的$ν_\mu$消失是否可由振荡至惰性中微子而非$ν_\tau$来解释？
• RQ2 超级神冈中中性流相互作用率是否支持$ν_\mu \to \nu_{sterile}$假设，考虑到$ν_{sterile}$不参与NC相互作用？
• RQ3 高能$ν_\mu$振荡的物质效应是否与$ν_\mu \to \nu_{sterile}$或$ν_\mu \to \nu_\tau$假设一致？
• RQ4 超级神冈数据中是否存在与$ν_\mu \to \nu_\tau$振荡一致的、统计显著的τ轻子出现信号？
• RQ5 在所有可用数据下，$ν_{sterile}$在振荡过程中的最大允许贡献是多少？

主要发现

• 中性流数据不支持$ν_\mu \to \nu_{sterile}$假设，因其预测NC相互作用会受到抑制，而数据中未观测到这种抑制。
• 物质效应在高能区抑制$ν_\mu \to \nu_{sterile}$振荡，但观测到的$ν_\mu$消失能量依赖性更符合$ν_\mu \to \nu_\tau$振荡。
• 三项τ出现搜索方法均显示约2σ的信号超额，其中似然法、神经网络法和能量流法观测到的τ事例数分别为66、92和79。
• 每项分析中τ出现信号的显著性约为2σ，预期显著性为1.5–2.2，表明与$ν_\mu \to \nu_\tau$振荡一致。
• 对超级神冈大气中微子数据进行联合拟合，允许$ν_{sterile}$作为次级振荡伙伴的贡献最多达25%（90%置信水平），但更倾向于$ν_\mu \to \nu_\tau$为占主导的机制。
• 消失、NC、物质效应及τ出现搜索的综合证据强烈支持$ν_\mu \to \nu_\tau$振荡，而非$ν_\mu \to \nu_{sterile}$。