[论文解读] NESSiE: The Experimental Sterile Neutrino Search in Short-Base-Line at CERN

U. Köse|arXiv (Cornell University)|Apr 26, 2013

Neutrino Physics Research参考文献 15被引用 3

一句话总结

NESSiE 在 CERN 提出了一种利用新型短基线中微子束流进行高精度寻找惰性中微子的方法，采用两个磁谱仪（近端和远端）配合类似 ICARUS 的液氩时间投影室，测量带电流的μ子中微子和反中微子相互作用。该实验旨在覆盖 LSND 和反应堆异常的参数空间，其灵敏度超越现有极限，尤其针对 $\Delta m^2 \sim 2$ eV$^2$ 和 $\sin^2 2\theta \sim 10^{-2}$ 的区域，通过独立测量 $\nu_\mu$ 和 $\bar{\nu}_\mu$ 消失，系统误差极低。

ABSTRACT

Several different experimental results are indicating the existence of anomalies in the neutrino sector. Models beyond the standard model have been developed to explain these results and involve one or more additional neutrinos that do not weakly interact. A new experimental program is therefore needed to study this potential new physics with a possibly new Short-Base-Line neutrino beam at CERN. CERN is actually promoting the start up of a New Neutrino Facility in the North Area site, which may host two complementary detectors, one based on LAr technology and one corresponding to a muon spectrometer. The system is doubled in two different sites. With regards to the latter option, NESSiE, Neutrino Experiment with Spectrometers in Europe, had been proposed for the search of sterile neutrinos studying Charged Current (CC) muon neutrino and antineutrino ineractions. The detectors consists of two magnetic spectrometers to be located in two sites:"Near" and "Far" from the proton target of the CERN-SPS beam. Each spectrometer will be complemented by an ICARUS-like LAr target in order to allow also Neutral Current (NC) and electron neutrino CC interactions reconstruction.

研究动机与目标

• 调查是否存在能解释短基线中微子振荡实验中异常现象的惰性中微子。
• 探索与 LSND、MiniBooNE、反应堆和镓异常一致的参数空间，这些异常表明存在一种第四种惰性中微子，其 $\Delta m^2 \sim 1-2$ eV$^2$。
• 通过磁谱仪中的电荷识别，独立测量 $\nu_\mu$ 和 $\bar{\nu}_\mu$ 消失，以减少背景和系统不确定性。
• 在近端和远端探测器位置实现中微子通量和相互作用谱的高精度测量，以检测振荡引起的谱形畸变。

提出的方法

• 利用 CERN 新建的中微子束流设施（CENF），产生能量为 100 GeV 的质子，从 SPS 提取并轰击石墨靶，生成次级的π介子和K介子，其衰变产生μ子中微子和反中微子。
• 在近端（有效质量 119 吨）和远端（476 吨）部署两台相同的磁谱仪，以重建μ子动量和电荷，从而实现 $\nu_\mu$ 和 $\bar{\nu}_\mu$ 事例的分离。
• 在每个站点集成类似 ICARUS 的液氩时间投影室（LAr-TPC），以高精度探测并重建带电流和中性流相互作用。
• 利用近端和远端探测器之间重建的带电流与中性流事件之比以及谱形畸变，探测振荡现象，假设在无振荡情况下初始谱形相同。
• 通过独立测量 $\nu_\mu$ 和 $\bar{\nu}_\mu$ 消失，检验惰性中微子混合中是否存在 CP 破坏效应。
• 利用高统计量（例如，在远端探测器处，仅 NESSiE 一项，$\Delta m^2 \sim 2$ eV$^2$ 时约有 120 万个 $\nu_\mu$ 带电流事件）实现超越现有实验的灵敏度。

实验结果

研究问题

• RQ1 LSND 和 MiniBooNE 异常是否可由 $\Delta m^2 \sim 1-2$ eV$^2$ 的惰性中微子存在来解释？
• RQ2 NESSiE 实验对 $\Delta m^2 \sim 0.2-2$ eV$^2$ 范围内 $\nu_\mu$ 消失的灵敏度如何，特别是在反应堆和镓异常的背景下？
• RQ3 NESSiE 谱仪通过μ子电荷识别，能在多大程度上区分 $\nu_\mu$ 和 $\bar{\nu}_\mu$ 事例？这种区分如何提升背景抑制能力？
• RQ4 该实验能否实现对 $\nu_e$ 出现和消失模式的灵敏度？这会对惰性中微子耦合施加何种约束？
• RQ5 近端和远端探测器之间μ子动量分布的谱形畸变如何实现对惰性中微子振荡的探测？

主要发现

• 预计 NESSiE 谱仪将在近端和远端探测器中重建约 40% 的所有从 LAr-TPC 产生并逃逸的带电流事件，从而实现完整的谱测量。
• 在运行 3 年（2 年中微子模式，1 年反中微子模式）后，NESSiE 对 $\nu_\mu$ 消失的灵敏度将超越 CDHS 和 SciBooNE+MiniBooNE 的限制，覆盖 LSND 异常区域的大部分区域。
• 对于 $\Delta m^2 \sim 2$ eV$^2$，仅远端探测器处 NESSiE 谱仪预计将记录约 110,000 个 $\bar{\nu}_\mu$ 带电流事件，而在 NESSiE+LAr 组合配置下，总事件数约为 280,000 个。
• 该实验对 $\nu_\mu$ 消失具有极高的统计功率，预计在远端探测器处仅 NESSiE 一项就将产生超过 100 万个带电流事件，从而实现精确的谱分析。
• NESSiE 谱仪可独立测量 $\nu_\mu$ 和 $\bar{\nu}_\mu$ 消失，从而可直接检验惰性中微子区的 CP 破坏。
• 在振荡假说下，近端和远端探测器的测量事件谱预计会出现显著差异，其中最大偏差出现在 $\Delta m^2 \sim 2$ eV$^2$ 时的 $\nu_\mu$ 带电流谱中，为惰性中微子振荡提供了清晰信号。