[论文解读] First MINOS+ Data and New Results from MINOS

A. Sousa|arXiv (Cornell University)|Feb 26, 2015

Neutrino Physics Research被引用 5

一句话总结

本论文展示了MINOS+实验的首批结果，利用735 km基线和升级后的探测器，提升了中微子振荡测量的精度。研究报告了对惰性中微子混合及非标准相互作用的增强约束，排除了在$|\Delta m^2_{43}| \lesssim 1$ eV$^2$条件下LSND和MiniBooNE允许区域的90%置信水平（C.L.），进一步加剧了与正向出现信号之间的张力。

ABSTRACT

Following a 7-year run with the MINOS experiment from 2005 to 2012, the MINOS+ long-baseline neutrino experiment started operations in September 2013. Utilizing the MINOS Near and Far Detectors at Fermilab and northern Minnesota, respectively, and measuring the new medium-energy NuMI neutrino beam over baseline of 735 km, MINOS+ has accumulated an exposure of $1.7 imes 10^{20}$ protons-on-target. In this paper, we present preliminary results from the MINOS+run. In addition, we report on improved results from a three-neutrino flavor analysis of the full $14 imes 10^{20}$ MINOS-era beam sample, and the combined full MINOS and MINOS+ atmospheric neutrino samples, corresponding to an exposure of 48.7 kiloton-years increased by 28% with respect to previously published MINOS measurements. The analysis combines the measurements of muon neutrino disappearance and appearance into electron neutrinos in the beam and atmospheric samples. Furthermore, we present results from a new search for sterile neutrinos in the complete MINOS NuMI sample. A 3+1 neutrino mixing model with one sterile neutrino is assumed. Neutrino mixing at the ND baseline ($\sim 1$ km), relevant for values of the additional mass eigenstate $m_4\gtrsim 1$ eV, is included for the first time in the analysis of Far and Near Detector data from a long-baseline neutrino experiment. Finally, new limits on non-standard neutrino interactions are obtained from measurements of electron neutrino appearance in the full MINOS beam sample.

研究动机与目标

• 通过结合MINOS和MINOS+的束流与大气中微子样本，提高对三中微子振荡参数测量的精度。
• 利用完整的MINOS NuMI束流样本，在$3+1$混合模型下搜索惰性中微子。
• 通过束流数据中的电子中微子出现，设定非标准中微子相互作用（NSI）的新限制。
• 评估近探测器畸变对振荡分析的影响，包括$m_4 \gtrsim 1$ eV的惰性态。
• 评估MINOS+在中微子与反中微子运行模式下对$\nu_\mu$消失至惰性中微子的敏感度。

提出的方法

• 三中微子振荡分析结合了束流与大气中微子样本，利用远/近探测器事例率比值以消除系统不确定性。
• 振荡拟合包含参数$|\Delta m^2_{32}|$、$|\Delta m^2_{43}|$、$\theta_{23}$、$\theta_{24}$ 和 $\theta_{34}$，并采用26个参数的系统不确定性协方差矩阵。
• 从中微子探测器（1.04 km）到远探测器（735 km）计算中微子振荡，考虑了束流能量谱和顶点距离的影响。
• 采用Feldman-Cousins统一方法校正对数似然曲面的非高斯性，以推导90% C.L.的排除极限。
• 通过$\nu_\mu$消失获得惰性中微子限制，并在近探测器事例率中加入惩罚项以考虑畸变影响。
• 通过带电流与中性流远/近比值的联合拟合，从束流样本中的电子中微子出现提取NSI的约束。

实验结果

研究问题

• RQ1 结合MINOS和MINOS+的束流与大气中微子样本，$|\Delta m^2_{32}|$ 和 $\sin^2\theta_{23}$ 的最新最佳拟合值是什么？
• RQ2 在$|\Delta m^2_{43}| \lesssim 1$ eV$^2$条件下，数据在多大程度上约束了$\nu_\mu$消失至惰性中微子？
• RQ3 MINOS+结果与LSND和MiniBooNE在惰性中微子参数空间中的正向信号相比如何？
• RQ4 束流数据对非标准中微子相互作用（特别是$\epsilon_{e\tau}$）设定了哪些新限制？
• RQ5 MINOS+在中微子与反中微子运行模式下对惰性中微子混合的预期敏感度如何？

主要发现

• 最佳拟合值为$|\Delta m^2_{32}| = 2.37^{+0.11}_{-0.07} \times 10^{-3}$ eV$^2$ 和 $\sin^2\theta_{23} = 0.43^{+0.19}_{-0.05}$，支持反序质量谱和$\theta_{23}$的下八度区。
• 在$|\Delta m^2_{43}|$上，$\theta_{24}$的90% C.L.排除极限跨越了四个数量级，尤其在$|\Delta m^2_{43}| \lesssim 1$ eV$^2$时约束最强。
• 结合MINOS和Bugey的限制，在$|\Delta m^2_{43}| < 1$ eV$^2$条件下，排除了LSND和MiniBooNE允许区域的90% C.L.，进一步加剧了与出现信号之间的张力。
• 对于$12 \times 10^{20}$质子-靶暴露量，MINOS+可将现有MINOS限制提高两倍。
• 实验在中微子与反中微子运行模式下，均实现了对$\nu_\mu$消失至惰性中微子的更高敏感度。
• 通过束流样本中的电子中微子出现，获得了对非标准中微子相互作用的新约束，其精度优于以往的MINOS结果。