[论文解读] Searching for MeV-scale Neutrinos with the DUNE Near Detector

Peter Ballett, T. Boschi+1 more|arXiv (Cornell University)|Mar 28, 2018

Neutrino Physics Research参考文献 1被引用 5

一句话总结

本文提出了一种基于DUNE近端探测器的、与模型无关的MeV量级惰性右手中微子搜索方法，利用其高强度中微子束流以及先进的液氩和高压氩时间投影室（LArTPC与HPArTPC）技术。结果表明，即使在严格的本底抑制之后，该探测器在MeV质量范围内可将混合参数|Uₑ₄|²与|Uᵢ₄|²的现有限制提升一个数量级。

ABSTRACT

Adding right-handed neutrinos to the Standard Model is a natural and simple extension and is well motivated on both the theoretical and the experimental side. We extend the Standard Model by adding only one right-handed Majorana neutrino and study the sensitivity of the Near Detector of the DUNE experiment to the new physics parameters, namely the mixing parameters $|U_{e 4}|^2$ and $|U_{μ4}|^2$ and the mass $m_N$. The study relies on searches of the products of right-handed neutrino decays, which is possible thanks to an extremely intense beam and a state-of-the-art detection technology. This type of direct test is carried out with very few assumptions and in an almost-completely model-independent way, providing thus a strong result. A background analysis is also performed, simulating the detector performance to particle identification. It is found that the existing bounds in the MeV-range can be improved by one order of magnitude in different detection channels.

研究动机与目标

• 评估DUNE近端探测器对MeV量级右手中微子的探测灵敏度。
• 对惰性中微子衰变为标准模型粒子的过程进行无模型依赖的搜索，最小化理论假设。
• 在MeV量级区域改进现有实验对混合参数|Uₑ₄|²与|Uᵢ₄|²的限制。
• 利用蒙特卡洛模拟评估真实本底抑制对探测灵敏度的影响。
• 量化本研究相比先前实验（如PS191与CHARM）在灵敏度上的提升。

提出的方法

• 通过引入一个具有Yukawa耦合和Majorana质量项的右手中微子，扩展标准模型。
• 利用DUNE束流配置，估算在固定靶实验中通过π介子和K介子衰变产生的惰性中微子通量。
• 应用衰变概率公式 P_d(E) = exp(-Γ_tot L / (γβ)) × (1 - exp(-Γ_tot λ / (γβ))) × (Γ_d / Γ_tot) 计算中微子在探测器内衰变的可能性。
• 采用背景分析方法，基于100万组GENIE模拟的中微子-核子事件，通过截断条件排除强子活动，保留具有信号特征的事件。
• 应用从动量空间中信号与本底区分获得的效率加权因子W_d(E)，以考虑探测器性能与本底抑制效果。
• 综合多个衰变道（e⁻π⁺、μ⁻π⁺、νe⁺e⁻）的结果，并采用[11]中所述的统计程序计算90%置信水平的排除限制。

实验结果

研究问题

• RQ1 与现有实验相比，DUNE近端探测器是否能在MeV量级惰性中微子探测中实现更高的灵敏度？
• RQ2 本底抑制对右手中微子衰变为可见标准模型末态的探测灵敏度有何影响？
• RQ3 该探测器在MeV质量范围内可将|Uₑ₄|²与|Uᵢ₄|²的现有限制提升至何种程度？
• RQ4 探测器技术（LArTPC + HPArTPC）对分辨低质量惰性中微子信号有何影响？
• RQ5 e⁻π⁺、μ⁻π⁺与νe⁺e⁻衰变道是否足够与本底区分，从而支持稳健的无模型依赖搜索？

主要发现

• 在MeV质量范围内，DUNE近端探测器可将|Uₑ₄|²与|Uᵢ₄|²的现有限制提升一个数量级。
• 经过本底抑制后，灵敏度依然强劲，排除限制可达到|Uₑ₄|² ~ 10⁻¹⁰与|Uᵢ₄|² ~ 10⁻¹⁰，对应质量约为100 MeV。
• 分析表明，e⁻π⁺与μ⁻π⁺衰变道因具有较高的信号-本底比，具备最佳探测前景。
• νe⁺e⁻道也表现出具有竞争力的灵敏度，尤其在低质量区域。
• 不同衰变模式下结果一致，相较于PS191与CHARM实验，灵敏度均有显著提升。
• 本研究证实，DUNE近端探测器具备探测现有实验尚未排除的参数空间大部分区域的潜力。