[论文解读] Preparation of the Neutrino-4 experiment on search for sterile neutrino and the obtained results of measurements

A. П. Серебров, R. M. Samoilov+17 more|arXiv (Cornell University)|May 9, 2020

Neutrino Physics Research参考文献 7被引用 19

一句话总结

Neutrino-4 实验在距离 SM-3 反应堆堆芯 6–12 米处测量了反应堆反中微子的通量和能谱，观测到一个惰性中微子振荡信号，其参数为 $\Delta m_{14}^2 = 7.25 \pm 0.13_{\text{st}} \pm 1.08_{\text{sys}} \, \text{eV}^2$ 和 $\sin^2 2\theta_{14} = 0.26 \pm 0.08_{\text{st}} \pm 0.05_{\text{sys}}$。结合镓异常和反应堆异常数据后，得到 $\sin^2 2\theta_{14} \approx 0.19 \pm 0.04$，显著性达 4.6σ，支持包含一个惰性中微子的 3+1 中微子模型，其质量为 $m_4 = 2.68 \pm 0.13 \, \text{eV}$。

ABSTRACT

The experiment Neutrino-4 had started in 2014 with a detector model and then was continued with a full-scale detector. All steps of preparatory work on this experiment are presented. Were obtained the results of measurements of reactor antineutrino flux and spectrum dependence on the distance in the range 6-12 meters from the center of the reactor core at SM-3 reactor. Using all collected data, we performed the model independent analysis on the oscillation parameters $\Delta m_{14}^2$ and $\sin^22 heta_{14}$. The method of coherent summation of results of measurements allows us to directly observe the effect of oscillations. We observed an oscillation effect in vicinity of $\Delta m_{14}^2=(7.25\pm0.13_{st}\pm1.08_{sys}) ext{eV}^2$ and $\sin^22 heta_{14}= 0.26\pm0.08_{st}\pm0.05_{sys}$. We provide a comparison of our results with results of other experiments on search for sterile neutrino. Combining the result of the Neutrino-4 and the results of measurements of the gallium anomaly and reactor anomaly we obtained value $\sin^22 heta_{14}\approx0.19 \pm 0.04 (4.6\sigma)$. Also was performed comparison of Neutrino-4 results with results of other reactor experiments NEOS, DANSS, STEREO, PROSPECT and MiniBooNE, LSND experiments and the IceCube experiment. Mass of sterile neutrino obtained from data collected in the Neutrino-4 experiment (in assumption $m_4^2\approx \Delta m_{14}^2$) is $m_4=2.68\pm0.13 ext{eV}$. Using the estimations of mixing angles obtained in other experiments and our results we can calculate, within 3+1 neutrino model, masses of electron, muon, and tau neutrinos: $m_{ u_e}^{ ext{eff}}=(0.58\pm0.09) ext{eV}, m_{ u_\mu}^{ ext{eff}}=(0.42\pm0.24) ext{eV}, m_{ u_ au}^{ ext{eff}}\leq 0.65 ext{eV}$. Extended PMNS matrix for 3+1 model with one sterile neutrino is provided, neutrino flavor mixing scheme with sterile neutrino and global fit of reactor experiments.

研究动机与目标

• 通过 SM-3 反应堆的反应堆反中微子振荡寻找惰性中微子。
• 测量距离反应堆堆芯 6–12 米处反应堆反中微子的能谱和通量。
• 使用数据的相干叠加，对振荡参数 $\Delta m_{14}^2$ 和 $\sin^2 2\theta_{14}$ 进行模型无关分析。
• 将结果与 NEOS、DANSS、STEREO、PROSPECT、MiniBooNE、LSND 和 IceCube 实验进行比较，评估与 3+1 中微子模型的一致性。
• 在 3+1 框架下推导活性中微子的有效质量 ($m_{\nu_e}^{\text{eff}}, m_{\nu_\mu}^{\text{eff}}, m_{\nu_\tau}^{\text{eff}}$)。

提出的方法

• 在距离 SM-3 反应堆堆芯 6–12 米处部署全尺寸探测器，以测量反中微子通量和能谱。
• 通过测量结果的相干叠加，实现了对振荡效应的直接观测，避免了模型偏差。
• 应用模型无关分析，从数据中提取 $\Delta m_{14}^2$ 和 $\sin^2 2\theta_{14}$，最大限度减少理论假设。
• 分别评估系统误差和统计误差，以确保振荡参数估计的稳健性。
• 通过将 Neutrino-4 数据与镓异常和反应堆异常结果结合，进行全局拟合，以优化 $\sin^2 2\theta_{14}$。
• 构建了适用于 3+1 模型的扩展 PMNS 矩阵，以描述包含一个惰性态的中微子味混合。

实验结果

研究问题

• RQ1 在不同距离处观测到的反应堆反中微子通量和能谱是否表明其振荡进入了惰性中微子态？
• RQ2 基于 Neutrino-4 数据，模型无关的 $\Delta m_{14}^2$ 和 $\sin^2 2\theta_{14}$ 值是多少？
• RQ3 Neutrino-4 的结果与 NEOS、DANSS、STEREO、PROSPECT、MiniBooNE、LSND 和 IceCube 实验的结果相比如何？
• RQ4 假设 $m_4^2 \approx \Delta m_{14}^2$，基于 Neutrino-4 测量结果，惰性中微子的有效质量是多少？
• RQ5 在 3+1 中微子模型中，结合 Neutrino-4 结果，电子、μ子和τ中微子的有效质量分别是多少？

主要发现

• Neutrino-4 在 $\Delta m_{14}^2 = 7.25 \pm 0.13_{\text{st}} \pm 1.08_{\text{sys}} \, \text{eV}^2$ 和 $\sin^2 2\theta_{14} = 0.26 \pm 0.08_{\text{st}} \pm 0.05_{\text{sys}}$ 处观测到惰性中微子振荡信号。
• 将 Neutrino-4 数据与镓异常和反应堆异常数据结合后，得到 $\sin^2 2\theta_{14} \approx 0.19 \pm 0.04$，显著性达 4.6σ。
• 在假设 $m_4^2 \approx \Delta m_{14}^2$ 的前提下，惰性中微子质量估计为 $m_4 = 2.68 \pm 0.13 \, \text{eV}$。
• 在 3+1 模型中，电子中微子的有效质量为 $m_{\nu_e}^{\text{eff}} = (0.58 \pm 0.09) \, \text{eV}$。
• μ子中微子的有效质量为 $m_{\nu_\mu}^{\text{eff}} = (0.42 \pm 0.24) \, \text{eV}$，τ中微子的有效质量上限为 $m_{\nu_\tau}^{\text{eff}} \leq 0.65 \, \text{eV}$。
• 构建了适用于 3+1 模型的扩展 PMNS 矩阵，且包含 Neutrino-4 数据的反应堆实验全球拟合结果支持轻型惰性中微子的存在。