[论文解读] Final results of the search for $ν_μ o ν_{e}$ oscillations with the OPERA detector in the CNGS beam

OPERA Collaboration, N. Yu. Agafonova+131 more|arXiv (Cornell University)|Mar 30, 2018

Neutrino Physics Research被引用 4

一句话总结

本文展示了利用完整CNGS束流数据集的OPERA实验最终结果，研究了$ν_\mu \to \nu_e$振荡。通过使用具有高空间分辨率的乳胶云室，提升了电子中微子能量重建精度，并在$\Delta m^2_{41} \gtrsim 0.1~\mathrm{eV}^2$条件下，将$\sin^2 2\theta_{\mu e}$的90%置信水平上限定为0.021，排除了LSND和MiniBooNE实验所暗示的参数空间的显著部分，且是唯一在最大混合情况下排除$\Delta m^2_{41} \gtrsim 4 \times 10^{-3}~\mathrm{eV}^2$的出现型实验。

ABSTRACT

The OPERA experiment has discovered the tau neutrino appearance in the CNGS muon neutrino beam, in agreement with the 3 neutrino flavour oscillation hypothesis. The OPERA neutrino interaction target, made of Emulsion Cloud Chamber, was particularly efficient in the reconstruction of electromagnetic showers. Moreover, thanks to the very high granularity of the emulsion films, showers induced by electrons can be distinguished from those induced by $π^0$s, thus allowing the detection of charged current interactions of electron neutrinos. In this paper the results of the search for electron neutrino events using the full dataset are reported. An improved method for the electron neutrino energy estimation is exploited. Data are compatible with the 3 neutrino flavour mixing model expectations and are used to set limits on the oscillation parameters of the 3+1 neutrino mixing model, in which an additional mass eigenstate $m_{4}$ is introduced. At high $Δm^{2}_{41}$ $( \gtrsim 0.1~ extrm{eV}^{2})$, an upper limit on $\sin^2 2θ_{μe}$ is set to 0.021 at 90% C.L. and $Δm^2_{41} \gtrsim 4 imes 10^{-3}~ extrm{eV}^{2}$ is excluded for maximal mixing in appearance mode.

研究动机与目标

• 利用完整OPERA数据集，搜索CNGS缪子中微子束流中$\nu_e$的出现。
• 通过引入额外的惰性中微子态$m_4$，检验3+1中微子混合模型。
• 利用高空间分辨率乳胶片，提高电子中微子能量估计的精度。
• 在惰性中微子搜索背景下，对$\sin^2 2\theta_{\mu e}$和$\Delta m^2_{41}$施加严格限制。
• 提供与模型无关的结果，以检验各种振荡假设。

提出的方法

• 利用具有亚微米级空间分辨率的乳胶云室，对$\nu_e$带电流作用产生的电磁簇射进行高精度重建。
• 应用一种改进的电子中微子能量估计方法，基于簇射拓扑结构和轨迹重建。
• 采用基于轮廓似然函数的拟合方法，引入介质效应和地壳密度（PREM模型）以考虑振荡路径的影响。
• 引入对已知振荡参数（$\Delta m^2_{31}$）的惩罚项，以减小系统误差。
• 对所有其他振荡参数进行轮廓化处理，将分析限制在$\Delta m^2_{41}$为正值的范围内。
• 采用包含数据、本底和$\Delta m^2_{31}$先验知识的似然函数进行统计分析。

实验结果

研究问题

• RQ1 在3+1中微子模型中，$\Delta m^2_{41} \gtrsim 0.1~\mathrm{eV}^2$条件下，$\sin^2 2\theta_{\mu e}$的上限是多少？
• RQ2 OPERA实验是否能排除最大混合情况下$\Delta m^2_{41}$低至$4 \times 10^{-3}~\mathrm{eV}^2$的值？
• RQ3 改进的能量分辨率如何影响对$\nu_e$出现的探测灵敏度？
• RQ4 结果在多大程度上排除了LSND和MiniBooNE实验所提示的参数空间？
• RQ5 观测数据是否与三味中微子混合模型一致？

主要发现

• 数据与三味中微子味混合模型相容，$\sin^2 2\theta_{13}$的90%置信水平上限为$< 0.43$。
• 对于$\Delta m^2_{41} \gtrsim 0.1~\mathrm{eV}^2$，$\sin^2 2\theta_{\mu e}$的90%置信水平上限为0.021。
• OPERA实验在出现模式下排除了$\Delta m^2_{41} \gtrsim 4 \times 10^{-3}~\mathrm{eV}^2$的值（适用于最大混合），是唯一实现此排除的出现型实验。
• 结果排除了LSND和MiniBooNE实验在$\Delta m^2_{41}$–$\sin^2 2\theta_{\mu e}$平面上所提示的显著参数区域。
• 分析证实，完整数据集与标准三味中微子振荡假说一致，未发现惰性中微子贡献的证据。
• 高空间分辨率乳胶片带来的改进能量分辨率增强了对$\nu_e$事例的探测灵敏度，并降低了本底误识别率。