[论文解读] Search for an anomalous excess of charged-current $ u_e$ interactions without pions in the final state with the MicroBooNE experiment

P. Abratenko, R. An+188 more|arXiv (Cornell University)|Oct 26, 2021

Particle physics theoretical and experimental studies被引用 7

一句话总结

本研究利用MicroBooNE液氩时间投影室中6.86×10²⁰个质子撞击的数据，搜索了无π介子的异常电子中微子带电费电流相互作用。分析显示，在1eNp0π通道中未发现显著过量，而1e0p0π通道在预测值之上表现出低能区过量，两个通道单独分析均以超过90%的置信水平排除了MiniBooNE低能过量模型。

ABSTRACT

This article presents a measurement of $ u_e$ interactions without pions in the final state using the MicroBooNE experiment and an investigation into the excess of low-energy electromagnetic events observed by the MiniBooNE collaboration. The measurement is performed in exclusive channels with (1$e$N$p$0$\pi$) and without (1$e$0$p$0$\pi$) visible final-state protons using 6.86$ imes 10^{20}$ protons on target of data collected from the Booster Neutrino Beam at Fermilab. Events are reconstructed with the Pandora pattern recognition toolkit and selected using additional topological information from the MicroBooNE liquid argon time projection chamber. Using a goodness-of-fit test the data are found to be consistent with the predicted number of events with nominal flux and interaction models with a $p$-value of 0.098 in the two channels combined. A model based on the low-energy excess observed in MiniBooNE is introduced to quantify the strength of a possible $ u_e$ excess. The analysis suggests that if an excess is present, it is not consistent with a simple scaling of the $ u_e$ contribution to the flux. Combined, the 1$e$N$p$0$\pi$ and 1$e$0$p$0$\pi$ channels do not give a conclusive indication about the tested model, but separately they both disfavor the low-energy excess model at $>$90% CL. The observation in the most sensitive 1$e$N$p$0$\pi$ channel is below the prediction and consistent with no excess. In the less sensitive 1$e$0$p$0$\pi$ channel the observation at low energy is above the prediction, while overall there is agreement over the full energy spectrum.

研究动机与目标

• 调查MiniBooNE在中微子相互作用中观测到的低能电磁过量的起源。
• 检验该过量是否可由无π介子末态的异常电子中微子带电费电流相互作用解释。
• 测量两种末态拓扑结构下的独态带电费电流u_e相互作用：有可见质子和无可见质子。
• 使用拟合优度检验评估MiniBooNE过量模型与MicroBooNE数据的一致性。
• 确定简单缩放u_e贡献是否能解释观测到的低能事例。

提出的方法

• 使用Pandora模式识别工具在MicroBooNE液氩时间投影室中重建事例。
• 基于拓扑特征选择事例，包括末态中可见质子的存在或缺失。
• 分析两个独态通道：1eNp0π（一个电子，至少一个质子，无π介子）和1e0p0π（一个电子，无质子，无π介子）。
• 使用拟合优度检验将数据与标准通量和相互作用模型预测进行比较，两通道合并后得到p值为0.098。
• 基于MiniBooNE低能过量模型构建一个模型，以量化潜在的u_e信号强度。
• 对每个通道分别进行分析，以评估灵敏度和与过量模型的一致性。

实验结果

研究问题

• RQ1 MiniBooNE观测到的低能电磁过量是否与末态中无π介子的异常u_e带电费电流相互作用一致？
• RQ2 MiniBooNE过量是否可由u_e贡献对中微子通量的简单缩放解释？
• RQ3 对灵敏度更高的1eNp0π通道，是否显示出超出标准模型预测的过量证据？
• RQ4 灵敏度较低但存在低能过量的1e0p0π通道是否支持或与MiniBooNE模型矛盾？
• RQ5 MicroBooNE数据是否与使用标称通量和相互作用模型预测的事例数一致？

主要发现

• 1eNp0π与1e0p0π两通道合并后与预测一致，拟合优度检验的p值为0.098。
• 1eNp0π通道的观测事例数低于预测值，与无过量一致。
• 1e0p0π通道在低能区表现出高于预测的过量，尽管在整个能量谱上整体符合度尚可。
• 两个通道单独分析均以超过90%的置信水平排除了MiniBooNE低能过量模型。
• 数据不支持将u_e贡献的简单缩放作为解释MiniBooNE过量的机制。
• 联合分析中未发现异常u_e信号的明确证据，但结果对MiniBooNE异常的可能解释施加了约束。