[论文解读] Searches for sterile neutrinos using the T2K off-axis near detector

Debra Dewhurst|arXiv (Cornell University)|Apr 30, 2015

Neutrino Physics Research参考文献 1被引用 3

一句话总结

本研究通过T2K离轴近端探测器（ND280）的短基线振荡实验，搜索无色中微子，分析了5.9×10²⁰个质子对靶的数据。对于零假设，p值为0.085，在95%置信水平下，排除了3+1无色中微子模型中Δm²ₑₑ > 7 eV²/c⁴且sin²2θₑₑ > 0.3的参数区域，该区域与镓异常和反应堆异常相关。

ABSTRACT

In the last decades, the results from a number of short-baseline neutrino experiments and the reanalysis of previous reactor experiments with updated antineutrino fluxes suggest some incompatibility with the standard three-neutrino model. A possible solution to these anomalies is the existence of neutrinos that do not interact via the electroweak force, known as sterile neutrinos. The existence of sterile neutrinos can be investigated with the T2K Experiment. Here we present a search for the disappearance of electron neutrinos over a baseline of 280 m using the T2K off-axis near detector. The data analysed corresponds to an exposure of $5.9 imes 10^{20}$ protons on target. The region $\sin^2 2 θ> 0.2$ and $Δm^2 > 8~ extrm{eV}^2$ is excluded at 95% CL. We also present an introduction to a new analysis looking for muon neutrino disappearance with the T2K near detector, which is in its early stages but promises to have interesting results in 2015.

研究动机与目标

• 研究无色中微子是否存在，作为解决短基线中微子实验中镓异常和反应堆异常的可能方案。
• 利用T2K离轴近端探测器（ND280）测试3+1无色中微子模型，重点关注νₑ消失过程。
• 利用5.9×10²⁰个质子对靶的数据，约束无色中微子混合的参数空间。
• 开发新的νₘu消失分析方法，以提高对无色中微子振荡的灵敏度。
• 通过专用控制样本和νₘu CC相互作用测量，减少系统不确定度。

提出的方法

• 构建基于带电电流弹性散射（CCQE）相互作用假设的重建中微子能量分布的分箱蒙特卡罗模板。
• 使用3+1模型对事件逐个加权模板：P(νₑ → νₑ) = 1 − sin²2θₑₑ × (1.27Δm²₄₁Lν / E)，其中Lν单位为km，E单位为GeV。
• 采用系统不确定度作为高斯约束的多余参数的分箱似然比拟合。
• 使用富含νₘu → π⁰相互作用的控制样本，测量来自中性流和CCDIS过程的本底。
• 将νₘu CC相互作用细分为CC0π、CCπ⁺和CCOth，以约束通量和截面不确定度。
• 将相同的似然框架应用于基于CCQE主导事件的νₘu消失的初步分析。

实验结果

研究问题

• RQ1 ND280探测器中观测到的νₑ事件分布是否显示出与无色中微子振荡一致的短基线νₑ消失的证据？
• RQ2 T2K离轴近端探测器在多大程度上能够排除3+1无色中微子参数空间的区域？
• RQ3 通量和截面相关的系统不确定度如何影响对νₑ和νₘu消失的灵敏度？
• RQ4 在完整包含系统不确定度的情况下，T2K ND280探测器对νₘu消失的预期灵敏度如何？
• RQ5 数据能否排除与镓异常和反应堆异常相关的参数空间部分？

主要发现

• νₑ消失的最佳拟合振荡参数为sin²2θₑₑ = 1 和 Δm²ₑₑ = 2.05 eV²/c⁴。
• 在95%置信水平下，排除区域为sin²2θₑₑ > 0.3 且 Δm²ₑₑ > 7 eV²/c⁴。
• 零振荡假设的p值为0.085，表明在标准模型下观察到该数据的概率约为1/12。
• 结果排除了与镓异常和反应堆异常相关的部分参数空间。
• 该分析受限于统计不确定度，表明需要更多数据以提高灵敏度。
• 对νₘu消失的初步灵敏度研究结果良好，当完整包含系统不确定度时，预期在90%置信水平下具有灵敏度。