[论文解读] Super-Kamiokande atmospheric neutrino results

T. Toshito, collaboration, the Super-Kamiokande|ArXiv.org|May 14, 2001

Neutrino Physics Research被引用 39

一句话总结

超级神冈探测器的1289天大气中微子数据强烈支持 $ν_{ ext{μ}} \rightarrow ν_{ ext{τ}}$ 振荡，其参数为 $\Delta m^2 = 2.5 \times 10^{-3}$ eV$^2$ 且 $\sin^2 2\theta = 1.00$，在99%置信水平下排除了纯 $ν_{\text{μ}} \rightarrow ν_{\text{惰性}}$ 振荡的可能性。数据在 $2\sigma$ 水平上显示出向上穿过事件中带电当前 $ν_{\text{τ}}$ 事件的过剩，表明 $ν_{\text{τ}}$ 的出现。

ABSTRACT

We present atmospheric neutrino results from a 79 kiloton year (1289 days) exposure of the Super-Kamiokande detector. Our data are well explained by $ν_μ o ν_τ$ 2-flavor oscillations. We have been attempting to discriminate between the possible oscillating partners of the muon neutrino as being either the tau neutrino or the sterile neutrino. Pure $ν_μ oν_s$ oscillation is disfavored at 99% C.L.. Moreover, we performed the appearance search for charged current tau neutrino interactions in the upward-going samples. Our data is consistent with $ν_τ$ appearance at roughly the two-sigma level.

研究动机与目标

• 检验大气μ中微子振荡为τ中微子或惰性中微子的假设。
• 利用天顶角和能量依赖的分布，区分 $\nu_{\text{μ}} \rightarrow \nu_{\text{τ}}$ 与 $\nu_{\text{μ}} \rightarrow \nu_{\text{惰性}}$ 振荡模型。
• 在向上穿过中微子事例中，寻找带电当前 $\nu_{\text{τ}}$ 出现的直接证据。

提出的方法

• 分析了超级神冈探测器1289天的完全包含和部分包含事例以及向上穿过μ子样本的数据。
• 使用双比率 $ R = (\mu\text{-like}/e\text{-like})_{\text{DATA}} / (\mu\text{-like}/e\text{-like})_{\text{MC}} $ 来量化味比的缺失。
• 应用 $\chi^2$ 最小化方法拟合 $\nu_{\text{μ}} \rightarrow \nu_{\text{τ}}$ 振荡参数，使用振荡概率公式 $ P = \sin^2 2\theta \cdot \sin^2(1.27 \cdot L/E \cdot \Delta m^2) $。
• 对向上穿过事例进行盲分析，采用似然和神经网络方法以增强 $\nu_{\text{τ}}$ 类似信号。
• 通过比较中性当前富集样本和高能样本中的上下比，检验 $\nu_{\text{μ}} \rightarrow \nu_{\text{惰性}}$ 振荡，该方法对物质效应敏感。
• 对向上穿过事例采用三种独立分析方法——似然法、神经网络法和事例形状分析法——以搜索 $\nu_{\text{τ}}$ 出现。

实验结果

研究问题

• RQ1 观测到的大气 $\nu_{\text{μ}}$ 流量缺失是否与 $\nu_{\text{μ}} \rightarrow \nu_{\text{τ}}$ 振荡一致？
• RQ2 数据能否排除纯 $\nu_{\text{μ}} \rightarrow \nu_{\text{惰性}}$ 振荡情景？
• RQ3 在向上穿过中微子事例中是否存在带电当前 $\nu_{\text{τ}}$ 出现的证据？
• RQ4 地球中的物质效应如何影响高能 $\nu_{\text{μ}}$ 的振荡模式？
• RQ5 中性当前和向上穿过μ子事例的观测天顶角分布是否支持 $\nu_{\text{μ}} \rightarrow \nu_{\text{τ}}$ 而非惰性中微子模型？

主要发现

• 最佳拟合振荡参数为 $\Delta m^2 = 2.5 \times 10^{-3}$ eV$^2$ 和 $\sin^2 2\theta = 1.00$，$\chi^2 = 142.1$（自由度为152）。
• 基于中性当前和高能样本中上下比与垂直/水平比的比较，$\nu_{\text{μ}} \rightarrow \nu_{\text{惰性}}$ 假设在99%置信水平下被排除。
• 观测到的向上穿过带电当前 $\nu_{\text{τ}}$ 事例数量与背景预期相比在 $2\sigma$ 水平上存在过剩。
• 对 $\nu_{\text{τ}}$ 出现的三种独立分析得到的修正事例数分别为 $103 \pm 41$、$98 \pm 44$ 和 $79 \pm 44$，均与蒙特卡罗预测一致。
• $\nu_{\text{μ}} \rightarrow \nu_{\text{τ}}$ 振荡的90%置信水平允许区域为 $\sin^2 2\theta > 0.88$ 且 $1.6 \times 10^{-3} < \Delta m^2 < 4 \times 10^{-3}$ eV$^2$。
• 数据在向上穿过样本中显示出μ子类事例的显著缺失，该现象最合理的解释是 $\nu_{\text{μ}} \rightarrow \nu_{\text{τ}}$ 振荡，而非惰性中微子混合。