Search for Neutrino-Produced Long-Lived Particles Using the SBND Cosmic Ray Tagger Beam Telescope

技術要約：SBND宇宙線テッジャー・ビーム・テレスコープを用いたニュートリノ生成長寿命粒子の探索

問題と動機
フェルミ研究所におけるShort-Baseline Near Detector (SBND) は、主にステライルニュートリノ振動の探索を目的として設計されている。しかし、Booster Neutrino Beam (BNB) に近接していること、および強力なニュートリノフラックスを持つことから、標準模型を超える物理（BSM）、具体的には長寿命粒子（LLP）の探索にも適した環境となっている。従来の加速器ニュートリノ実験におけるLLP探索は、主にメソンの崩壊による生成に焦点を当てているが、強力なニュートリノビームは補完的な生成メカニズムである「ニュートリノ–核のアップスキャッタリング（上向き散乱）」を提供する。本論文は、SBNDのデータを用いた、特に外部物質でのニュートリノ・アップスキャッタリングによって生成され、マクロな距離で可視最終状態（電子・陽電子対）へと崩壊するLLPを対象とした、初のBSM物理探索を提示するものである。

手法
本解析では、SBNDのメインとなるLArTPC（液体アルゴン時投影チャンバー）が設置される前の2017年から2018年にかけて運用された、SBND宇宙線テッジャー（CRT）システムのスタンドアロン構成、すなわち「CRTビーム・テレスコープ」から収集されたデータを利用する。データセットは、BNBからの$2.95 \times 10^{20}$ Protons on Target (POT) に相当する。

• 検出器構成: CRTビーム・テレスコープは、ビーム方向に9.26メートルの間隔で配置された2枚のプラスチックシンチレータ・モジュール・パネルで構成されている。上流パネル（18モジュール）と下流パネル（6モジュール）は、$\sim 1.5$ nsのタイミング分解能と空間再構成能力を提供する。
• 信号モデル: 探索は「ダークニュートリノ」シナリオを対象としている。これは、標準模型のニュートリノが検出器の上流にある物質内の原子核とアップスキャッタリングを起こし、重い中性フェルミオン（$N$）を生成するというものである。このLLPはマクロな距離を伝播した後、電子・陽電子対とニュートリノへと崩壊する（$N \to e^+e^-\nu$）。本解析では、特定のモデルに依存せず、有効生成断面積 $\sigma(\nu A \to NX) \times \text{Br}(N \to e^+e^- + E_{\text{miss}})$ とLLPの崩壊長（$c\tau$）によって探索をパラメータ化する。
• イベント選択: 信号トポロジーは、ニュートリノ誘起背景事象を排除するための「上流ベト（Upstream Veto）」として上流パネルでの活動がないことを要求し、続いて下流パネルにおける2つのヒット（最小分離距離22 cm）を要求する。この選択は、2枚のパネル間の体積内で起こるLLPの崩壊を標的にしている。
• 背景事象の特性評価: 主要な背景事象は、周囲の土壌・建物材料内でのニュートリノ相互作用、および宇宙線由来の活動である。
  • ニュートリノ誘起背景事象: GENIEおよびGEANT4シミュレーションを用いてモデル化し、データセットに合わせてスケーリングを行う。
  • 宇宙線由来の背景事象: ビームによる相互作用が含まれない、ビームスピル直前の時間窓（1.6 $\mu$s前）のデータから直接推定する。
• 識別: Boosted Decision Tree (BDT) を用いて、4つの変数（ヒット間の3次元距離、水平方向の分離、タイミング差、および平均堆積エネルギー）に基づき、信号に似たイベントと残りの背景事象を識別する。

主な貢献

• 初のSBND BSM探索: 本研究は、SBNDのデータを用いて行われた初の標準模型を超える物理（BSM）探索である。
• スタンドアロン検出器の活用: 検出器のサブシステム（CRT）を、本来の目的である宇宙線テッジャーとしての機能を超え、タイミングおよび空間分解能を活用することで、LLP探索のためのスタンドアロンな計測器として使用できる可能性を実証した。
• 新規な生成チャネル: 本解析は、他の実験で探索されている従来のメソン崩壊生成メカニズムとは異なる、外部物質におけるニュートリノ・アップスキャッタリングによるLLP生成を特異的に標的としている。
• データ駆動型の背景事象推定: 宇宙線由来の背景事象は、外部のシミュレーションに頼ることなく、完全にデータから決定される。

結果
解析の結果、期待される背景事象数 $763.2 \pm 25\%$（系統誤差を含む）に対し、831個のイベントが観測された。統計的に有意な過剰は観測されなかった。適合度テストによるp値は、崩壊長が1 m、3.1 m、10 mの場合において、それぞれ0.65、0.86、0.71であった。

その結果、コラボレーションは、LLPが$e^+e^-$対へと崩壊する場合の有効生成断面積に対して、90%信頼区間（CL）の上限値を設定した。

• 除外限界: 排除限界は、ラボ系崩壊長が0.3 mから100 mの範囲において、有効断面積約$10^{-38} \text{ cm}^2$（最も強い箇所では$\sim 5 \times 10^{-39} \text{ cm}^2$まで）に達する。
• 感度: 感度は、9.26 mの崩壊体積による幾何学的受容性に制約されるものの、メートルスケールの崩壊長（$c\tau \sim 1\text{--}10$ m）で最大となる。
• モデルの解釈: 結果はダークニュートリノの文脈で解釈される。最小の3+1シナリオはベンチマークパラメータに対して本探索の感度を下回っているが、特定の質量分裂を持つ代表的な3+2シナリオは、本解析が探査している領域に及んでいる。

意義と主張
本論文は、これらの結果が、ニュートリノ生成LLPに関して他の実験ではこれまで探索されてこなかったメートルスケールの崩壊長領域を調査することで、既存の探索を補完することを主張している。著者らは、除外限界がフルデテクタ機能を持つモデル固有の探索（MicroBooNEなど）よりも弱いものの、本解析は独自の補完的なアプローチを提供していることを強調している。本研究は、たとえ本来の設計がそのような探索用でない場合でも、十分なタイミングおよび空間分解能を備えていれば、検出器のサブシステムを用いて有意義なBSM物理への感度を得られることを示している。この成果は、より広い崩壊長やトポロジーへの除外を拡張し得る、フルサイズのSBND検出器を用いた将来の研究の基礎を築くものである。