[论文解读] First constraints on light sterile neutrino oscillations from combined appearance and disappearance searches with the MicroBooNE detector

MicroBooNE collaboration, P. Abratenko+185 more|arXiv (Cornell University)|Oct 18, 2022

Neutrino Physics Research被引用 4

一句话总结

本论文首次结合了MicroBooNE实验中出现和消失两种通道的约束，对轻型惰性中微子振荡进行了联合分析。通过分析多种末态的中微子事例，并采用Feldman-Cousins统计方法，该研究排除了$\Delta m^2_{41}$--$\sin^2 2\theta_{\mu e}$参数空间中显著的区域，显示出与MiniBooNE异常的$2-3\sigma$张力，并排除了纯$\nu_e$过剩解释的可能性。

ABSTRACT

We present a search for eV-scale sterile neutrino oscillations in the MicroBooNE liquid argon detector, simultaneously considering all possible appearance and disappearance effects within the $3+1$ active-to-sterile neutrino oscillation framework. We analyze the neutrino candidate events for the recent measurements of charged-current $ν_e$ and $ν_μ$ interactions in the MicroBooNE detector, using data corresponding to an exposure of 6.37$ imes$10$^{20}$ protons on target from the Fermilab booster neutrino beam. We observe no evidence of light sterile neutrino oscillations and derive exclusion contours at the $95\%$ confidence level in the plane of the mass-squared splitting $Δm^2_{41}$ and the sterile neutrino mixing angles $θ_{μe}$ and $θ_{ee}$, excluding part of the parameter space allowed by experimental anomalies. Cancellation of $ν_e$ appearance and $ν_e$ disappearance effects due to the full $3+1$ treatment of the analysis leads to a degeneracy when determining the oscillation parameters, which is discussed in this paper and will be addressed by future analyses.

研究动机与目标

• 利用MicroBooNE探测器中$\nu_e$出现和$\nu_\mu$/$\nu_e$消失信号，检验$3+1$型惰性中微子振荡模型。
• 通过包含完整的振荡框架效应，解决MiniBooNE异常与后续零结果之间的张力。
• 通过在联合拟合中结合多种中微子相互作用通道（CC、NC、$\pi^0$），提高灵敏度。
• 评估在$3+1$模型下，MiniBooNE的$\nu_e$过剩与MicroBooNE数据的相容性。
• 在$\Delta m^2_{41}$--$\sin^2 2\theta_{\mu e}$和$\Delta m^2_{41}$--$\sin^2 2\theta_{ee}$平面中，提供95%置信水平下的更新排除限。

提出的方法

• 对七个中微子选择通道进行联合似然拟合：完全和部分包含的$\nu_e$ CC、$\nu_\mu$ CC、带$\pi^0$的$\nu_\mu$ CC，以及NC $\pi^0$事例。
• 采用Feldman-Cousins方法计算$\Delta\chi^2$分布，确保假设检验的正确统计覆盖。
• 在$3+1$中微子振荡框架内，同时包含$\nu_e$出现和$\nu_\mu$/$\nu_e$消失效应。
• 使用BNB和NuMI束流的加权事件中微子通量来建模信号期望值，其中$\nu_\mu/\nu_e$的比值分别约为185和25。
• 使用$CL_s$方法在95%置信水平下计算数据排除轮廓，灵敏度曲线基于Asimov数据集推导得出。
• 将结果与先前实验（LSND、KARMEN、MiniBooNE、Neutrino-4、镓异常）及反应堆实验（STEREO、PROSPECT等）进行比较。

实验结果

研究问题

• RQ1 当同时考虑出现和消失效应时，MiniBooNE的$\nu_e$过剩是否与$3+1$型惰性中微子振荡模型相容？
• RQ2 MicroBooNE数据在95%置信水平下，对$\Delta m^2_{41}$--$\sin^2 2\theta_{\mu e}$参数空间的哪些区域设定了排除？
• RQ3 在惰性中微子振荡的背景下，MicroBooNE结果与LSND、镓异常及Neutrino-4结果的对比如何？
• RQ4 观测到的$\nu_e$ CC事例缺失在多大程度上排除了纯$\nu_e$出现解释MiniBooNE异常的可能性？
• RQ5 MicroBooNE与MiniBooNE在$\nu_e$低能过剩及惰性中微子振荡参数空间中的张力具有何种显著性？

主要发现

• MicroBooNE排除了此前由MiniBooNE异常所建议的大部分参数空间，特别是在$\Delta m^2_{41} \sim 0.1-10$ eV$^2$范围内。
• 与MiniBooNE的$2\sigma$允许区域相比，仅考虑$\nu_e$出现的模型在$2-3\sigma$水平上被排除，表明纯$\nu_e$过剩模型存在不一致。
• 在$\Delta m^2_{41}$--$\sin^2 2\theta_{\mu e}$平面中，95%置信水平下的数据排除轮廓显示，当$\Delta m^2_{41} \sim 1$ eV$^2$时，$\sin^2 2\theta_{\mu e} \gtrsim 0.02$的值被排除。
• 仅考虑$\nu_e$消失的模型在$\Delta m^2_{41} \sim 1$ eV$^2$时，排除了$\sin^2 2\theta_{ee} \gtrsim 0.01$的值，与反应堆异常约束一致。
• 在$\nu_e$低能过剩和惰性中微子振荡参数空间中，MicroBooNE与MiniBooNE结果之间观察到$2-3\sigma$的张力。
• 在仅考虑$\nu_e$出现的近似下，MicroBooNE结果与LSND的90%置信水平允许区域不相容，进一步挑战了将MiniBooNE异常解释为惰性中微子的假设。