[论文解读] Muon internal bremsstrahlung: a conventional explanation for the excess electron-neutrino events in MiniBoone

A. Bodek|ArXiv.org|Sep 25, 2007

Neutrino Physics Research被引用 3

一句话总结

本文提出，辐射μ子事例——即在带电流中微子相互作用中，μ子发射高能光子——可解释MiniBoone和LSND实验中未解释的电子中微子样事例过剩。这些发射的光子在探测器中表现为类电子的电磁簇射，计算得到的此类事例率（442 MeV时为0.33%）与观测到的0.03%过剩相符，提供了一种无需引入新物理的常规解释。

ABSTRACT

We show that the rate of charged-current muon-neutrino events with a hard internal bremsstrahlung photon is consistent with the excess electron-neutrino candidate events reported by the MiniBoone and LSND (decay in flight) experiments. Hard photons radiated by the muon leg in charged-current neutrino interactions (neutrino-Nucleon->muon+gamma+nucleon) are a significant source of background that should be considered by current and future muon-neutrino to electron-neutrino neutrino oscillations appearance experiments (e.g. LSND, MiniBoone, SuperK, MINOS, T2K and NOVA).

研究动机与目标

• 在不引入新物理的前提下，解释MiniBoone和LSND实验中未解释的νₑ样事例过剩。
• 量化辐射μ子事例（νμN → μγN）作为νμ → νₑ振荡搜索中背景源的贡献。
• 证明μ子轫致辐射产生的高能光子可在像MiniBoone这样的切伦科夫探测器中模仿类电子信号。
• 表明此类辐射事例的速率与MiniBoone中观测到的0.03%过剩一致。
• 强调未来精密中微子振荡实验中需包含辐射修正。

提出的方法

• 使用对数近似方法计算带电流νμ在核子上的轫致辐射截面。
• 计算νμN → μγN的双微分截面，纳入Born阶过程的辐射修正。
• 应用公式：d²σ/dxdy = d²σ₀/dxdy + (α/2π)ln[2MEν(1−y+xy)²/mμ²] × ∫₀¹ dz(1+z²)/(1−z) [yΘ(z−zm)/(z(y+z−1)) d²σ₀/dxdy(tilde{x},tilde{y}) − d²σ₀/dxdy(x,y)]
• 使用MiniBoone的能量重建公式建模重建的中微子能量Eν^rec，考虑光子能量和μ子能量超过切伦科夫阈值的情况。
• 估算辐射高能光子（例如Eγ > 207 MeV）的概率，作为中微子能量和μ子运动学的函数。
• 将计算得到的辐射事例率与MiniBoone中观测到的150起过剩事例（占νμ CC事例的0.03%）进行比较。

实验结果

研究问题

• RQ1 辐射μ子事例（νμN → μγN）能否解释MiniBoone中观测到的νₑ样事例过剩？
• RQ2 在MiniBoone能量下，μ子在带电流νμ相互作用中发射硬光子的速率是多少？
• RQ3 μ子轫致辐射产生的高能光子在切伦科夫探测器中在多大程度上模仿类电子信号？
• RQ4 μ子不可见或部分可见时的探测效率低下，对背景估计有何影响？
• RQ5 辐射修正对中微子散射实验中提取的轴矢量质量MA有何影响？

主要发现

• 在442 MeV中微子能量下，μ子辐射能量大于207 MeV（占μ子能量的50%）的概率为0.33%，与MiniBoone中观测到的0.03%过剩相符。
• 在226 MeV时，辐射事例率为0.66%，表明在LSND相关的较低能量下存在显著的背景源。
• μ子轫致辐射产生的硬光子在MiniBoone的切伦科夫探测器中产生的电磁簇射与电子信号无法区分，尤其当μ子低于切伦科夫阈值时。
• 即使μ子信号部分可见，其信号通常也隐藏在电磁簇射中，导致难以探测。
• 对于5%的能量分辨率，辐射修正δ显著，且在2 GeV中微子能量下，修正使提取的MA增加约0.002 GeV/c²。
• 计算得到的辐射背景率与观测到的过剩一致，提供了一种无需引入惰性中微子或新物理的常规解释。