[论文解读] Search for an Excess of Electron Neutrino Interactions in MicroBooNE Using Multiple Final State Topologies

MicroBooNE collaboration, P. Abratenko+193 more|Lancaster EPrints (Lancaster University)|Oct 26, 2021

Neutrino Physics Research被引用 6

一句话总结

MicroBooNE 在费米实验室中微子束的 7×10^20 个质子-靶碰撞中，利用多种末态拓扑结构搜索电子中微子相互作用的过量。实验未发现显著过量，以超过 97% 的置信水平拒绝了电子中微子带电流相互作用可解释 MiniBooNE 低能过量的假设，对过量中包含的全部 νₑ CC 贡献的 2σ 上限为 51%。

ABSTRACT

We present a measurement of electron neutrino interactions from the Fermilab Booster Neutrino Beam using the MicroBooNE liquid argon time projection chamber to address the nature of the excess of low energy interactions observed by the MiniBooNE collaboration. Three independent electron neutrino searches are performed across multiple single electron final states, including an exclusive search for two-body scattering events with a single proton, a semi-inclusive search for pion-less events, and a fully inclusive search for events containing all hadronic final states. With differing signal topologies, statistics, backgrounds, reconstruction algorithms, and analysis approaches, the results are found to be consistent with the nominal electron neutrino rate expectations from the Booster Neutrino Beam and no excess of electron neutrino events is observed.

研究动机与目标

• 检验 MiniBooNE 中电子中微子相互作用的低能过量是否可由 νₑ 带电流（CC）事例解释。
• 探究该过量是否源于束流中的本征 νₑ CC 相互作用或背景贡献。
• 利用多种末态拓扑结构（例如 1e0p0π、1e1p、1eNp0π）以提升信号识别能力并抑制背景。
• 基于数据驱动的背景估计，约束 νₑ CC 相互作用对 MiniBooNE 过量的贡献。
• 使用液氩时间投影室（LArTPC）对 νₑ 解释 MiniBooNE 异常现象进行模型无关的检验。

提出的方法

• 利用费米实验室中微子模式束流的 7×10^20 个质子-靶碰撞数据，通过 MicroBooNE 液氩时间投影室（LArTPC）收集。
• 采用多个独立分析，使用不同的全自动事件重建软件，并遵循统一的数据盲处理方案。
• 定义了包括 1e0p0π、1e1p（CCQE）、1eNp0π 和综合 1eX 在内的末态拓扑结构，以探测不同的信号与背景区域。
• 利用 π⁰ 和 νₘu CC 事例的高统计样本，对 νₑ CC 事件进行数据驱动的背景估计。
• 应用统计建模计算信号强度 x，其中 x=1 对应对 MiniBooNE 过量的完全解释。
• 计算 1σ 和 2σ 置信区间，以及在无信号假设下的预期上限，以评估显著性。

实验结果

研究问题

• RQ1 MiniBooNE 的低能过量是否与 MicroBooNE 探测器中 νₑ 带电流相互作用一致？
• RQ2 在不同末态拓扑结构下，νₑ CC 相互作用对 MiniBooNE 过量的贡献上限是多少？
• RQ3 在排除（1e1p、1eNp0π）和综合（1eX）分析中，结果在约束 νₑ 假设方面有何异同？
• RQ4 宇宙射线和光子诱导背景对观测事例率的贡献程度如何？
• RQ5 观测数据是否与预期的 νₑ CC 事例率一致，或显示出显著过量？

主要发现

• 在所有末态拓扑结构中，均未观测到低能电子中微子候选事例的显著过量。
• 1eNp0π 和 1e0p0π 通道联合的最佳拟合信号强度为 x = 0.36，2σ 置信水平下 x < 1.86。
• 在无信号假设下，预期的 2σ 上限为 x < 1.37，表明对潜在信号具有高灵敏度。
• MicroBooNE 以 >97% 的置信水平拒绝了 νₑ CC 相互作用可完全解释 MiniBooNE 过量的假设（x = 1），适用于所有排除和综合事件类别。
• 对 MiniBooNE 过量中包含的全部 νₑ CC 贡献，其 1σ（2σ）上限分别为 22%（51%），表明 νₑ CC 不可能是主导来源。
• 多个独立分析结果一致，所有测量值均与 νₑ CC 事例的预测值兼容或略低。