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

技術要約：NOvAによる能動的・ステリルのニュートリノ振動に関する二重基線探索

問題提起
三世代（3F）のニュートリノ混合パラダイムは、幅広い実験のデータを成功裏に説明しているが、いくつかの異常な結果は、追加のニュートリノ質量状態の存在を示唆している。これらの異常がニュートリノ混合に起因する場合、それらは弱相互作用を介さない追加の質量状態、すなわち「ステリル（不活性）」ニュートリノの存在を意味する。これを収容するための最も単純な拡張は、一つのステリル・ニュートリノ状態を導入する3+1モデルである。このモデルは、新しい質量二乗分裂（$\Delta m^2_{41}$）と混合角（$\theta_{14}, \theta_{24}, \theta_{34}$）、および関連するCP位相を含む6つの新しいパラメータを追加する。過去の探索では相反する結果が得られており、例えばIceCubeなどの実験が許容しているパラメータ空間の領域を、他の実験が排除しているケースもある。これらの探索における重要な課題は、高 $\Delta m^2_{41}$ におけるステリル振動が長基線ではエネルギー・スペクトルの正規化シフトとして現れる一方で、短基線ではエネルギー依存の振動として現れることである。

手法
本解析は、近傍検出器（ND）および遠方検出器（FD）の両方における、ニュートリノ（$\nu$）モードおよび反ニュートリノ（$\bar{\nu}$）モードの両方のデータを同時にフィットすることによる、初のNOvAによるステリル・ニュートリノ探索を提示する。

• データセット: 本研究では、2014年2月から2024年3月までに記録された、$26.61 \times 10^{20}$ プロトン・オン・ターゲット（POT）の$\nu$モードおよび$12.50 \times 10^{20}$ POTの$\bar{\nu}$モードの曝露量を使用する。これは、従来のNOvAのステリル・ニュートリノ探索と比較して$\nu$モードのデータが倍増しており、この特定の探索において広範な$\bar{\nu}$モードのデータが初めて含まれていることを示している。
• 検出器: 解析には、ターゲットから1 km離れたNDと、ターゲットから810 km離れたFDからなる、機能的に同一のNDおよびFDを利用する。NDは100 mの地下に位置し、FDは浅い覆いがあるため、宇宙線背景事象が主要な懸念事項となる。
• イベント選択: $\nu_\mu$ および $\bar{\nu}_\mu$ の電荷 करंट（CC）相互作用、および中性電流（NC）相互作用のサンプルをフィットする。
  • CC候補は、最終状態にミューオンが存在することに基づいて選択される。
  • NC候補は、最終状態にレプトンが存在しない相互作用から選択され、再構成された頂点がフィデューシャル・ボリューム内にあり、すべての粒子が包含され、少なくとも3つの連続した平面を横切っていることを必要とする。
  • 背景事象除去: 畳み込みニューラルネットワーク（CNN）およびブーステッド決定木（BDT）を用いて、NC相互作用を宇宙線背景事象（特にFDにおいて）から区別し、エネルギー堆積パターンに基づいて相互作用の種類を分類する。
• シミュレーションと系統誤差: 解析には、NDにおける潜在的なステリル効果を考慮した修正を加えない、GENIE 3.0.6によるニュートリノ相互作用のシミュレーションを使用する。系統誤差は、モデルパラメータ（中間子交換成分やカオン・フラックスの不確かさを含む）を変化させて「ユニバース」の変動予測を生成することにより、共分散行列アプローチを介して扱われる。ビーム・フラックスの不確かさを制約するために、NDにおけるニュートリノ・電子（$\nu$-on-e）散乱の特定のサンプルが含まれている。
• フィッティング戦略: 再構成されたCCおよびNCイベントのエネルギー・スペクトラムに対して、両方の検出器および両方のビームモードを用いた同時フィットを行う。フィットでは、3+1パラダイムを維持するために、大気振動パラメータ $\theta_{23}$ を自由に変化させつつ、$\Delta m^2_{32}$ を $2.51 \times 10^{-3}$ eV$^2$ 付近の狭い範囲に制約する。ステリル・パラメータ $\Delta m^2_{41}, \theta_{24}, \theta_{34}, \delta_2$ は自由に変化させ、他のステリル・パラメータは外部制約に基づきゼロに固定する。

主な貢献

• 二重基線・二重モード・フィット: 両方の検出器および両方のビームモードのデータを同時にフィットする、初のNOvA解析である。このアプローチは、二つの基線の異なる振動レジームを活用することで、より広い範囲の $\Delta m^2_{41}$ 値への感度を拡張する。
• 拡張されたパラメータ空間: 反ニュートリノ・データを用いて $\Delta m^2_{41}$ を単一の値に制約していた従来のNOvA探索とは異なり、本解析は広範な $\Delta m^2_{41}$ 値を許容する。
• 改善された系統誤差処理: $\nu$-on-e サンプルの導入と、カオン誘起のNC不確かさに対する具体的な取り扱いにより、フラックスおよび相互作用モデルの系統誤差に対する制約が強化されている。

結果
解析の結果、データの中にステリル・ニュートリノの証拠は見つからなかった。結果は90%信頼区間（CL）において標準的な三世代振動仮説と一致している。

• 排除限界: 本研究は、$\Delta m^2_{41} - \sin^2\theta_{34}$ 空間において、$\Delta m^2_{41}$ の約5桁の範囲にわたって $\sin^2\theta_{34} \gtrsim 0.2$ を排除し、現在最も厳しい制限を設定している。
• $\Delta m^2_{41} - \sin^2\theta_{24}$ 空間: 本解析は、$\Delta m^2_{41} \gtrsim 4$ eV$^2$ および $\sin^2\theta_{24} \lesssim 0.02$ の新しいパラメータ空間の領域を排除する。
• IceCubeとのテンション: 結果は、90% CLにおいてIceCube実験によって許容されているパラメータ空間のほぼすべてを排除する。
• 特定の特性: $\Delta m^2_{41} \sim 2 \times 10^{-3}$ eV$^2$ および $\Delta m^2_{41} \sim 5 \times 10^{-3}$ eV$^2$ 付近の小さなパラメータ空間の領域は、位相 $\delta_2$ に対するタイトな制約（これにより、該当する混合位相 $\delta_{24}$ がその領域で0に近いことが実質的に制約される）および、大気振動とステリル混合パラメータ間の縮退により、排除または許容される。

意義
本論文は、主に、3+1 パラメータ空間の広範な領域を排除することを通じて、その有意性を主張している。具体的には、IceCubeによる以前の結果とのテンションを解消している。二重基線を活用したニュートリノおよび反ニュートリノ・データの同時フィットを用いることで、本解析は、観測されたデータが三世代振動と完全に一致していることを示し、eV$^2$ 範囲における軽いステリル・ニュートリノの存在に対して強い制約を課している。この成果は、両方のビームモードのフル・データセットを組み込んだ、NOvAコラボレーションによる初の包括的なステリル・ニュートリノ探索として、一つの節目となるものである。