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

Sintesi Tecnica: Ricerca NOvA a Doppia Baseline per Oscillazioni Neutriniche Attivo-Sterili

Problema
Sebbene il paradigma di miscelazione dei tre sapori (3F) descriva con successo i dati provenienti da una vasta gamma di esperimenti, diversi risultati anomali suggeriscono l'esistenza di stati di massa aggiuntivi. Se tali anomalie derivano dalla miscelazione dei neutrini, esse implicano l'esistenza di almeno uno stato di massa aggiuntivo che non interagisce tramite la forza debole: un neutrino "sterile". La più semplice estensione per accogliere questo scenario è il modello 3+1, che introduce un nuovo stato di massa sterile. Questo modello aggiunge sei nuovi parametri: un nuovo splitting di massa al quadrato ($\Delta m^2_{41}$) e angoli di miscelazione ($\theta_{14}, \theta_{24}, \theta_{34}$) insieme alle relative fasi CP. Le ricerche precedenti hanno prodotto risultati contrastanti, con alcuni esperimenti (ad esempio, IceCube) che consentono regioni dello spazio dei parametri che altri invece escludono. Una sfida critica in queste ricerche è che le oscillazioni sterili ad alto $\Delta m^2_{41}$ si manifestano come uno spostamento della normalizzazione nello spettro energetico a lunghe linee di base (baselines), mentre le oscillazioni dipendenti dall'energia appaiono a linee di base più brevi.

Metodologia
Questa analisi presenta la prima ricerca NOvA per i neutrini sterili utilizzando un fit simultaneo dei dati di entrambi i modi di fascio, neutrino ($\nu$) e antineutrino ($\bar{\nu}$), attraverso sia il Rilevatore Vicino (ND) che il Rilevatore Lontano (FD).

• Set di Dati: Lo studio utilizza un'esposizione di $26,61 \times 10^{20}$ protoni su bersaglio (POT) in modalità $\nu$ e $12,50 \times 10^{20}$ POT in modalità $\bar{\nu}$, registrati tra febbraio 2014 e marzo 2024. Ciò rappresenta un raddoppio dei dati in modalità $\nu$ rispetto alle precedenti ricerche NOvA sui neutrini sterili e la prima inclusione di estesi dati in modalità $\bar{\nu}$ per questa specifica ricerca.
• Rilevatori: L'analisi utilizza l'ND (a 1 km dal bersaglio) e il FD (a 810 km dal bersaglio), funzionalmente identici. L'ND è situato 100 m sottoterra, mentre il FD ha un sovraccarico (overburden) superficiale, rendendo il fondo di raggi cosmici una preoccupazione primaria per il FD.
• Selezione degli Eventi: L'analisi esegue il fit di campioni di interazioni cariche-correnti (CC) di $\nu_\mu$ e $\bar{\nu}_\mu$ e di interazioni neutre-correnti (NC).
  • I candidati CC sono selezionati in base alla presenza di un muone nello stato finale.
  • I candidati NC sono selezionati da interazioni senza un leptone nello stato finale, richiedendo un vertice ricostruito entro il volume fiduciale, la contenimento di tutte le particelle e l'attraversamento di almeno tre piani contigui.
  • Rigetto del Fondo: Una Rete Neurale Convoluzionale (CNN) e un Albero di Decisione Potenziato (BDT) sono impiegati per distinguere le interazioni NC dai fondi di raggi cosmici (particolarmente per il FD) e per classificare i tipi di interazione in base ai pattern di deposizione dell'energia.
• Simulazione e Sistematiche: L'analisi utilizza la simulazione GENIE 3.0.6 per le interazioni dei neutrini senza modifiche per accomodare potenziali effetti sterili nell'ND. Le incertezze sistematiche sono trattate tramite un approccio a matrice di covarianza, variando i parametri del modello (inclusi i componenti di corrente di scambio dei mesoni e le incertezze sul flusso dei kaoni) per generare "universi" di previsioni fluttuanti. Un campione specifico di scattering neutrino-su-elettrone ($\nu$-on-e) nell'ND è incluso per vincolare le incertezze sul flusso del fascio.
• Strategia di Fit: Viene eseguito un fit simultaneo sugli spettri di energia ricostruita degli eventi CC e NC in entrambi i rilevatori e in entrambi i modi di fascio. Il fit permette al parametro di oscillazione atmosferica $\theta_{23}$ di variare liberamente, mentre vincola $\Delta m^2_{32}$ a un intervallo ristretto attorno a $2,51 \times 10^{-3}$ eV$^2$ per mantenere il paradigma 3+1. I parametri sterili $\Delta m^2_{41}$, $\theta_{24}$, $\theta_{34}$ e $\delta_2$ variano liberamente, mentre altri parametri sterili sono fissati a zero sulla base di vincoli esterni.

Contributi Chiave

• Fit a Doppia Baseline e Doppio Modo: Questa è la prima analisi NOvA che esegue simultaneamente il fit dei dati $\nu$ e $\bar{\nu}$ attraverso sia l'ND che il FD. Questo approccio estende la sensibilità a un intervallo più ampio di valori di $\Delta m^2_{41}$, sfruttando i diversi regimi di oscillazione delle due linee di base.
• Spazio dei Parametri Espanso: A differenza delle precedenti ricerche NOvA che vincolavano $\Delta m^2_{41}$ a un singolo valore utilizzando i dati degli antineutrini, questa analisi permette un intervallo esteso di valori di $\Delta m^2_{41}$.
• Gestione Migliorata delle Sistematiche: L'inclusione del campione $\nu$-on-e e il trattamento specifico delle incertezze NC indotte dai kaoni forniscono vincoli più stretti sulle incertezze del flusso e del modello di interazione.

Risultati
L'analisi non trova evidenza di neutrini sterili nei dati. I risultati sono coerenti con l'ipotesi standard di oscillazione a tre sapori al livello di confidenza (CL) del 90%.

• Limiti di Esclusione: Lo studio stabilisce i limiti più stringenti ad oggi nello spazio $\Delta m^2_{41} - \sin^2\theta_{34}$, escludendo $\sin^2\theta_{34} \gtrsim 0,2$ attraverso quasi cinque ordini di grandezza in $\Delta m^2_{41}$.
• Spazio $\Delta m^2_{41} - \sin^2\theta_{24}$: L'analisi esclude nuove regioni dello spazio dei parametri per $\Delta m^2_{41} \gtrsim 4$ eV$^2$ e $\sin^2\theta_{24} \lesssim 0,02$.
• Tensione con IceCube: I risultati escludono quasi tutto lo spazio dei parametri consentito dall'esperimento IceCube al 90% CL.
• Caratteristiche Specifiche: Piccole regioni dello spazio dei parametri vicino a $\Delta m^2_{41} \sim 2 \times 10^{-3}$ eV$^2$ e $\Delta m^2_{41} \sim 5 \times 10^{-3}$ eV$^2$ mostrano rigetto o ammissione a causa dei vincoli stretti sulla fase $\delta_2$ (che efficacemente vincola la fase di miscelazione rilevante $\delta_{24}$ ad essere vicino a 0 in quella regione) e delle degenerazioni tra i parametri di miscelazione atmosferica e sterile, rispettivamente.

Significatività
Il documento rivendica la significatività principalmente attraverso l'esclusione di estese regioni dello spazio dei parametri 3+1, risolvendo specificamente le tensioni con i risultati precedenti di IceCube. Utilizzando un fit simultaneo di dati di neutrini e antineutrini attraverso doppie linee di base, l'analisi dimostra che i dati osservati sono pienamente coerenti con le oscillazioni a tre sapori, ponendo così forti vincoli all'esistenza di un neutrino sterile leggero con splitting di massa nell'ordine degli eV$^2$. Il lavoro rappresenta una pietra miliare per la collaborazione NOvA come sua prima ricerca completa sui neutrini sterili che incorpora l'intero set di dati di entrambi i modi di fascio.