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

Technische Samenvatting: NOvA Dual-Baseline Zoektocht naar Actieve-naar-Steriele Neutrino-oscillaties

Probleemstelling
Hoewel het drie-flavoren (3F) neutrino-mengingsparadigma de data van een breed scala aan experimenten succesvol beschrijft, suggereren verschillende anomalieën de aanwezigheid van extra neutrino-massastoestanden. Als deze anomalieën voortkomen uit neutrino-menging, impliceren ze de aanwezigheid van ten minste één extra massastoestand die niet interageert via de zwakke kracht — een "steraile" neutrino. De eenvoudigste uitbreiding om dit te accommoderen is het 3+1-model, dat één steriele neutrino-toestand introduceert. Dit model voegt zes nieuwe parameters toe: een nieuwe massa-kwadraat-splitsing ($\Delta m^2_{41}$) en mengingshoeken ($\theta_{14}, \theta_{24}, \theta_{34}$) samen met bijbehorende CP-fasen. Eerdere zoektochten hebben conflicterende resultaten opgeleverd, waarbij sommige experimenten (bijv. IceCube) gebieden van de parameterruimte toestaan die anderen uitsluiten. Een cruciale uitdaging in deze zoektochten is dat steriele oscillaties bij een hoge $\Delta m^2_{41}$ zich manifesteren als een normalisatieverschuiving in het energiespectrum bij lange baselines, terwijl energie-afhankelijke oscillaties verschijnen bij kortere baselines.

Methodologie
Deze analyse presenteert de eerste NOvA-zoektocht naar steriele neutrino's gebruikmakend van een simultane fit van zowel neutrino ($\nu$) als antineutrino ($\bar{\nu}$) bundelmodi over zowel de Near Detector (ND) als de Far Detector (FD).

• Dataset: De studie gebruikt een blootstelling van $26,61 \times 10^{20}$ protonen op doelwit (POT) in $\nu$-modus en $12,50 \times 10^{20}$ POT in $\bar{\nu}$-modus, geregistreerd tussen februari 2014 en maart 2024. Dit vertegenwoordigt een verdubbeling van de $\nu$-modus data vergeleken met eerdere NOvA steriele zoektochten en de eerste inclusie van uitgebreide $\bar{\nu}$-modus data voor deze specifieke zoektocht.
• Detectoren: De analyse maakt gebruik van de functioneel identieke ND (1 km van het doelwit) en FD (810 km van het doelwit). De ND bevindt zich 100 m ondergronds, terwijl de FD een ondiepe overdekking heeft, waardoor kosmische stralingsachtergrond een primaire zorg is voor de FD.
• Event Selectie: De analyse past samples van $\nu_\mu$ en $\bar{\nu}_\mu$ geladen-stroom (CC) interacties en neutrale-stroom (NC) interacties toe.
  • CC-kandidaten worden geselecteerd op basis van de aanwezigheid van een muon in de eindtoestand.
  • NC-kandidaten worden geselecteerd uit interacties zonder eindtoestand-lepton, waarbij een gereconstrueerde vertex binnen het fiduciale volume vereist is, alle deeltjes gecontaineerd moeten zijn, en er minimaal drie aaneengesloten vlakken doorkruist moeten worden.
  • Achtergrondrejectie: Een Convolutional Neural Network (CNN) en een Boosted Decision Tree (BDT) worden ingezet om NC-interacties te onderscheiden van kosmische stralingsachtergronden (vooral voor de FD) en om interactietypes te classificeren op basis van energie-depositiepatronen.
• Simulatie en Systematiek: De analyse gebruikt de GENIE 3.0.6 simulatie voor neutrino-interacties zonder aanpassingen om mogelijke steriele effecten in de ND te accommoderen. Systematische onzekerheden worden behandeld via een covariantiematrix-benadering, waarbij modelparameters (inclusclusief meson-uitwisselingscomponenten en kaon-flux onzekerheden) worden gevarieerd om "universa" van gefluctueerde voorspellingen te genereren. Een specifieke sample van neutrino-op-elektron ($\nu$-on-e) verstrooiing in de ND is opgenomen om de bundelflux-onzekerheden te beperken.
• Fitting Strategie: Een simultane fit wordt uitgevoerd op de gereconstrueerde energiespectra van CC en NC events in beide detectoren en beide bundelmodi. De fit staat toe dat de atmosferische oscillatieparameter $\theta_{23}$ vrij varieert, terwijl $\Delta m^2_{32}$ wordt beperkt tot een nauwe range rond $2,51 \times 10^{-3}$ eV$^2$ om het 3+1-paradigma te handhaven. De steriele parameters $\Delta m^2_{41}$, $\theta_{24}$, $\theta_{34}$, en $\delta_2$ variëren vrij, terwijl andere steriele parameters op nul worden gezet op basis van externe restricties.

Belangrijkste Bijdragen

• Dual-Baseline, Dual-Mode Fit: Dit is de eerste NOvA-analyse die simultaan $\nu$ en $\bar{\nu}$ data over zowel de ND als de FD fitte. Deze aanpak breidt de gevoeligheid uit naar een breder bereik van $\Delta m^2_{41}$ waarden door gebruik te maken van de verschillende oscillatieregimes van de twee baselines.
• Uitgebreide Parameterruimte: In tegen tegenstelling tot eerdere NOvA-zoektochten die $\Delta m^2_{41}$ aan een enkele waarde beperkten met antineutrino-data, staat deze analyse een uitgebreide range van $\Delta m^2_{41}$ waarden toe.
• Verbeterde Systematiek Afhandeling: De inclusie van de $\nu$-on-e sample en de specifieke behandeling van kaon-geïnduceerde NC-onzekerheden zorgen voor striktere restricties op flux en interactiemodel-systematiek.

Resultaten
De analyse vindt geen bewijs voor steriele neutrino's in de data. De resultaten zijn consistent met de standaard drie-flavoren oscillatiehypothese op het 90% betrouwbaarheidsniveau (CL).

• Exclusie Limieten: De studie stelt de meest stringente limieten tot nu toe vast in de $\Delta m^2_{41} - \sin^2\theta_{34}$ ruimte, waarbij $\sin^2\theta_{34} \gtrsim 0,2$ wordt uitgesloten over bijna vijf ordes van grootte in $\Delta m^2_{41}$.
• $\Delta m^2_{41} - \sin^2\theta_{24}$ Ruimte: De analyse sluit nieuwe gebieden van de parameterruimte uit voor $\Delta m^2_{41} \gtrsim 4$ eV$^2$ en $\sin^2\theta_{24} \lesssim 0,02$.
• IceCube Spanning: De resultaten sluiten bijna de gehele parameterruimte uit die wordt toegestaan door het IceCube-experiment bij 90% CL.
• Specifieke Kenmerken: Kleine gebieden van de parameterruimte nabij $\Delta m^2_{41} \sim 2 \times 10^{-3}$ eV$^2$ en $\Delta m^2_{41} \sim 5 \times 10^{-3}$ eV$^2$ vertonen afwijzing of toelating vanwege de strikte restricties op de fase $\delta_2$ (wat de relevante mengingsfase $\delta_{24}$ effectief nabij 0 beperkt in die regio) en degeneraties tussen atmosferische en steriele mengingsparameters respectievelijk.

Significantie
Het artikel claimt significantie primair door de uitsluiting van uitgebreide gebieden van de 3+1 parameterruimte, specifiek het oplossen van spanningen met eerdere resultaten van IceCube. Door gebruik te maken van een simultane fit van neutrino- en antineutrino-data over duale baselines, demonstreert de analyse dat de geobserveerde data volledig consistent zijn met drie-flavoren oscillaties, en legt daarmee sterke restricties op het bestaan van een licht steriel neutrino met een massa-kwadraat-splitsing in het eV$^2$-bereik. Het werk vormt een mijlpaal voor de NOvA-collaboratie als hun eerste uitgebreide steriele neutrino-zoektocht die de volledige dataset van beide bundelmodi incorporeert.