NOvA Dual-Baseline Search for Active-to-Sterile Neutrino Oscillations using Neutrino- and Antineutrino-Enriched Samples

Resumen Técnico: Búsqueda de Oscilaciones de Neutrinos Activos-a-Estériles de Doble Línea de Base de NOvA

Planteamiento del Problema
Si bien el paradigma de mezcla de tres sabores (3F) describe con éxito los datos de una amplia gama de experimentos, varios resultados anómalos sugieren la existencia de estados de masa adicionales. Si estas anomalías surgen de la mezcla de neutrinos, implican la existencia de al menos un estado de masa adicional que no interactúa a través de la fuerza débil: un neutrino "estéril". La extensión más simple para acomodar esto es el modelo 3+1, que introduce un estado de neutrino estéril adicional. Este modelo añade seis nuevos parámetros: un nuevo desdoblamiento de masa al cuadrado ($\Delta m^2_{41}$) y ángulos de mezcla ($\theta_{14}, \theta_{24}, \theta_{34}$) junto con sus fases CP asociadas. Búsquedas previas han arrojado resultados conflictivos, donde algunos experimentos (por ejemplo, IceCube) permiten regiones del espacio de parámetros que otros excluyen. Un desafío crítico en estas búsquedas es que las oscilaciones estériles a altos $\Delta m^2_{41}$ se manifiestan como un cambio de normalización en el espectro de energía en líneas de base largas, mientras que las oscilaciones dependientes de la energía aparecen en líneas de base más cortas.

Metodología
Este análisis presenta la primera búsqueda de neutrinos estériles de NOvA utilizando un ajuste simultáneo de los datos de los modos de neutrino ($\nu$) y antineutrino ($\bar{\nu}$) a través tanto del Detector Cercano (ND) como del Detector Lejano (FD).

• Conjunto de Datos: El estudio utiliza una exposición de $26.61 \times 10^{20}$ protones sobre el blanco (POT) en modo $\nu$ y $12.50 \times 10^{20}$ POT en modo $\bar{\nu}$, registrados entre febrero de 2014 y marzo de 2024. Esto representa una duplicación de los datos de modo $\nu$ en comparación con las búsquedas de neutrinos estériles anteriores de NOvA y la primera inclusión de extensos datos de modo $\bar{\nu}$ para esta búsqueda específica.
• Detectores: El análisis utiliza el ND (a 1 km del blanco) y el FD (a 810 km del blanco), que son funcionalmente idénticos. El ND está ubicado a 100 m bajo tierra, mientras que el FD tiene una cobertura superficial, lo que convierte al fondo de rayos cósmicos en una preocupación primordial para el FD.
• Selección de Eventos: El análisis ajusta muestras de interacciones de corriente cargada (CC) de $\nu_\mu$ y $\bar{\nu}_\mu$, así como interacciones de corriente neutra (NC).
  • Los candidatos CC se seleccionan basándose en la presencia de un muón en el estado final.
  • Los candidatos NC se seleccionan de interacciones sin un leptón en el estado final, requiriendo un vértice reconstruido dentro del volumen fiducial, la contención de todas las partículas y el cruce de al menos tres planos contiguos.
  • Rechazo de Fondo: Se emplea una Red Neuronal Convolucional (CNN) y un Árbol de Decisión Potenciado (BDT) para distinguir las interacciones NC de los fondos de rayos cósmicos (particularmente para el FD) y para clasificar los tipos de interacción basándose en los patrones de deposición de energía.
• Simulación y Sistemáticas: El análisis utiliza la simulación GENIE 3.0.6 para interacciones de neutrinos sin modificaciones para acomodar potenciales efectos estériles en el ND. Las incertidumbres sistemáticas se tratan mediante un enfoque de matriz de covarianza, variando los parámetros del modelo (incluyendo componentes de corriente de intercambio de mesones e incertidumbres de flujo de kaones) para generar "universos" de predicciones fluctuadas. Se incluye una muestra específica de dispersión de neutrino-sobre-electrón ($\nu$-on-e) en el ND para restringir las incertidumbres del flujo del haz.
• Estrategia de Ajuste: Se realiza un ajuste simultáneo en los espectros de energía reconstruida de eventos CC y NC en ambos detectores y ambos modos de haz. El ajuste permite que el parámetro de oscilación atmosférica $\theta_{23}$ varíe libremente mientras restringe $\Delta m^2_{32}$ a un rango estrecho alrededor de $2.51 \times 10^{-3}$ eV$^2$ para mantener el paradigma 3+1. Los parámetros estériles $\Delta m^2_{41}$, $\theta_{24}$, $\theta_{34}$ y $\delta_2$ varían libremente, mientras que otros parámetros estériles se fijan en cero basándose en restricciones externas.

Contribuciones Clave

• Ajuste de Doble Línea de Base y Doble Modo: Este es el primer análisis de NOvA que ajusta simultáneamente los datos de $\nu$ y $\bar{\nu}$ a través de ambos detectores (ND y FD). Este enfoque extiende la sensibilidad a un rango más amplio de $\Delta m^2_{41}$ aprovechando los diferentes regímenes de oscilación de las dos líneas de base.
• Espacio de Parámetros Expandido: A diferencia de las búsquedas anteriores de NOvA que restringían $\Delta m^2_{41}$ a un único valor usando datos de antineutrinos, este análisis permite un rango extenso de valores de $\Delta m^2_{41}$.
• Mejor Manejo de Sistemáticas: La inclusión de la muestra $\nu$-on-e y el tratamiento específico de las incertidumbres de NC inducidas por kaones proporcionan restricciones más estrictas sobre las sistemáticas de flujo y del modelo de interacción.

Resultados
El análisis no encuentra evidencia de neutrinos estériles en los datos. Los resultados son consistentes con la hipótesis de oscilación de tres sabores estándar al nivel de confianza (CL) del 90%.

• Límites de Exclusión: El estudio establece los límites más estrictos hasta la fecha en el espacio $\Delta m^2_{41} - \sin^2\theta_{34}$, excluyendo $\sin^2\theta_{34} \gtrsim 0.2$ a través de casi cinco órdenes de magnitud en $\Delta m^2_{41}$.
• Espacio $\Delta m^2_{41} - \sin^2\theta_{24}$: El análisis excluye nuevas regiones del espacio de parámetros para $\Delta m^2_{41} \gtrsim 4$ eV$^2$ y $\sin^2\theta_{24} \lesssim 0.02$.
• Tensión con IceCube: Los resultados excluyen casi todo el espacio de parámetros permitido por el experimento IceCube al 90% CL.
• Características Específicas: Pequeñas regiones del espacio de parámetros cerca de $\Delta m^2_{41} \sim 2 \times 10^{-3}$ eV$^2$ y $\Delta m^2_{41} \sim 5 \times 10^{-3}$ eV$^2$ muestran rechazo o permiso debido a las estrictas restricciones sobre la fase $\delta_2$ (que efectivamente restringe la fase de mezcla relevante $\delta_{24}$ a estar cerca de 0 en esa región) y las degeneraciones entre los parámetros de mezcla atmosférica y estéril, respectivamente.

Significancia
El artículo reclama significancia principalmente a través de la exclusión de extensas regiones del espacio de parámetros 3+1, específicamente resolviendo tensiones con resultados previos de IceCube. Al utilizar un ajuste simultáneo de datos de neutrino y antineutrino a través de una doble línea de base, el análisis demuestra que los datos observados son totalmente consistentes con las oscilaciones de tres sabores, estableciendo así fuertes restricciones sobre la existencia de un neutrino estéril ligero con desdoblamiento de masa en el rango de eV$^2$. El trabajo representa un hito para la colaboración NOvA como su primera búsqueda integral de neutrinos estériles incorporando el conjunto completo de datos de ambos modos de haz.