[论文解读] KPipe: a decisive test for muon neutrino disappearance

Spencer Axani, Gabriel Collin+4 more|arXiv (Cornell University)|Oct 23, 2015

Neutrino Physics Research参考文献 3被引用 4

一句话总结

KPipe 在 J-PARC 的 MLF 处提出建设一个单一的 120 米长探测器，利用世界上最强的 236 MeV 单能 $\olde_{\mu}$ 来源（来自衰变静止的 K介子），测量缪子中微子消失。通过测量作为基线函数的带电 current 相互作用率，它在三年内对当前全球最佳拟合的惰性中微子参数实现 5$σ$ 敏感度，将排除极限扩展一个数量级。

ABSTRACT

The short baseline neutrino oscillation experiment, KPipe, is designed to perform a sensitive search for muon neutrino disappearance in the current global fit allowed regions for sterile neutrinos. KPipe is to be located at the Material Life Science Experimental Facility at J-PARC: the world's most intense source of 236~MeV, monoenergetic muon neutrinos. By measuring the $ν_μ$ charged current interaction rate along a 120~m long, 3~m diameter detector, KPipe can map out short baseline oscillations over an L/E of 0.14 to 0.64~m/MeV. Using a long, single detector to measure the $ν_μ$ interaction rate as a function of distance largely eliminates the systematic uncertainties associated with cross sections and fluxes. In this paper, we show that KPipe can cover the current global best fit to 5$σ$ after 3 years of running.

研究动机与目标

• 在与短基线异常相关的参数空间中，对缪子中微子消失进行决定性检验。
• 解决观测到的短基线异常（如 LSND、MiniBooNE）与零结果（如 KARMEN、缪子消失搜索）之间的张力。
• 通过使用单一探测器高精度测量 $\nolde_{\mu}$ 消失，检验惰性中微子假说。

提出的方法

• 利用 J-PARC MLF 设施，该设施提供世界上最强的 236 MeV、单能 $\nolde_{\mu}$ 束流，来自 $K^{+} \rightarrow \mu^{+} \nu_{\mu}$ 衰变静止。
• 在高密度聚乙烯中部署一个单一的、120 米长、3 米直径的液体闪烁体探测器，具有双光学隔离的体积以实现事例选区和宇宙射线屏蔽。
• 测量 $\nolde_{\mu}$ 在碳核上的带电 current 相互作用率作为距离的函数（L/E 从 0.14 到 0.64 m/MeV），从而消除截面和通量相关的系统误差。
• 使用光电阴极覆盖率为 0.4% 的硅光电倍增管（SiPMs），实现 0.8 米的空间分辨率，通过时间与空间符合识别缪子和米切尔电子。
• 采用仅形状的 $χ^{2}$ 分析，使用 Neyman $χ^{2}$ 规范评估敏感度，排除相关系统误差。
• 使用基于 Geant4 的 RAT 和 CRY 模拟信号与背景事例率，经过切割后实现 75% 的信号效率和 27 Hz 的剩余宇宙射线背景。

实验结果

研究问题

• RQ1 单探测器、长基线实验是否能在惰性中微子参数空间中实现对 $\nolde_{\mu}$ 消失的决定性敏感度？
• RQ2 KPipe 是否能将惰性中微子混合的实验排除区域相比 MiniBooNE 和 SciBooNE 扩展一个数量级？
• RQ3 在运行三年后，KPipe 是否能以 5$σ$ 显著性测量当前全球最佳拟合的 $\nolde_{\mu}$ 消失参数？
• RQ4 在此设置下，若未观测到缪子中微子消失，是否能排除或约束解释 LSND 和 MiniBooNE 异常的理论模型？

主要发现

• 运行三年后，KPipe 可在 $\nolde m^{2}_{41} = 0.93$ eV$^{2}$ 和 $\sin^{2}(2\theta_{\mu\mu}) = 0.11$ 处对 $\nolde_{\mu}$ 消失的当前全球最佳拟合参数实现 5$σ$ 敏感度。
• 与 MiniBooNE 和 SciBooNE 相比，KPipe 可将惰性中微子混合的实验排除区域扩展一个数量级。
• 在顶点重建、时间与空间符合切割后，探测器对 $\nolde_{\mu}$ CC 相互作用的信号效率达到 75%。
• 经过高能、低能及 10 cm 探测器屏蔽切割后，剩余宇宙射线背景降至 27 Hz，与信号事件的符合率仅为 2.6%。
• 顶点重建的空间分辨率为 0.8 米，可精确绘制出振荡波沿探测器的分布。
• 采用 Neyman $χ^{2}$ 规范的仅形状分析，确认了在不考虑相关系统误差情况下的稳健敏感度。