MicroBooNE实验中的两个无π介子带电电子-中微子相互作用。左图：不含质子的电子簇射。右图：电子簇射和质子径迹。

《物理评论快报 》最近的一篇文章对 MicroBooNE 探测器数据进行了全面的分析，研究了之前的 MiniBooNE 实验探测到的中微子类事件的异常盈余。

1990 年，LSND（液体闪烁中微子探测器）实验观测到异常信号，表明可能存在惰性中微子——这是除三种已知类型（电子、μ 子和 τ 子）之外的第四种中微子。

MiniBooNE 的建造初衷是利用相同的中微子束方法来研究这一异常现象。然而，MiniBooNE 不仅没有解开谜团，反而发现了自身的异常现象。

“MiniBooNE 在其探测器中观测到太多类似电子中微子的[电磁]事件，”曼彻斯特大学研究员、该研究的合著者克里斯·索普（Chris Thorpe）解释道。MiniBooNE 过量现象的一个可能原因是存在一种新型中微子，但其他解释，例如背景辐射模型错误或暗物质粒子衰变，也可能是导致这一异常的原因。

了解异常的性质成为了MicroBooNE的重点。MicroBooNE是专为调查MiniBooNE过量而设计的下一代探测器。这项新分析是首次使用MicroBooNE完整的五年数据集进行的全面测试。

改进实验

MiniBooNE 实验使用了一个充满矿物油的探测器，它通过切伦科夫光发射来识别电磁活动，切伦科夫光发射是粒子在油中传播速度超过光速时产生的特征蓝光。

然而，该技术有一个严重的局限性：无法精确追踪单个粒子或确定电磁信号的源粒子。

“他们无法区分中微子相互作用直接发射的电子和初始光子二次发射产生的电子，”曼彻斯特大学研究员兼合著者亚历山德拉·特雷廷解释道。

这种模糊性至关重要，因为中微子振荡虽然有据可查，但进展过于缓慢，无法解释观测到的过量，这表明异?？赡苁怯纱砦蠓掷嗟谋尘傲Ｗ佣皇切挛锢硌б鸬摹?/span>

MicroBooNE 专门设计用于解决这种不确定性，它使用液氩时间投影室技术，实现毫米级空间分辨率，用于带电粒子路径重建和确定粒子种类。

MicroBooNE实验

MicroBooNE 与 MiniBooNE 一样，在费米实验室使用相同的增强中微子束，位于距离中微子源 470 米处。该方法确保使用显著改进的探测方法对相同的异常中微子束进行研究。

实验的核心是液氩时间投影室（LArTPC），这项技术的功能类似于一台精密的亚原子粒子3D相机。中微子与氩原子核相互作用产生的带电粒子在穿过介质时会将液氩电离。电场将这些电离电子漂移到记录其精确位置的金属平面上，从而形成详细的轨迹，揭示每个粒子的路径、能量和身份。

这项最新分析标志着 MicroBooNE 完整的五年运行数据集的首次使用，对应目标质子数为 1.11 × 10 21 个，比之前的研究增加了 70%。

研究人员重点关注两个互补的事件类别：产生一个电子而没有介子的相互作用，以及根据是否存在可见质子的相互作用进一步细分。

加州大学圣巴巴拉分校博士后学者、该研究的共同作者高帆解释说：“我们根据质子的存在分离数据样本，并对分离的样本和组合样本进行分析，以包括 MiniBooNE 探测器观察到的所有可能的信号拓扑?！?/span>

分离至关重要，因为虽然质子对于 MiniBooNE 来说是不可见的，因为它们太慢而无法产生切伦科夫发射，但 MicroBooNE 可以精确识别它们。

窗体底端

测试异常

为了直接测试 MiniBooNE 的过剩是否可以用电子中微子来解释，研究人员开发了两个经验模型，将观察到的异常转化为对 MicroBooNE 应该看到的预测。

第一个模型用于先前的分析，该模型假设过量是由电子中微子通量的能量依赖性增强造成的。这种方法将MiniBooNE数据展开为中微子能量的函数。

然而，第一个模型有一个明显的缺陷，即未能准确再现 MiniBooNE 实际观测到的电磁流的具体特性，特别是它们的能量和方向特性。

该团队开发了第二个更复杂的模型，该模型专注于 MiniBooNE 测量的实际可观测量：电磁流的能量和角度。

结果是明确的。

与两种信号模型相比，MicroBooNE 数据显示没有证据支持对 MiniBooNE 异常进行电子中微子解释。

索普说：“我们在包含和不包含MiniBooNE信号的条件下分别进行了预测，并将这些预测与我们的数据进行了比较。我们的数据支持不包含MiniBooNE信号的预测，而我们的分析表明，这只是统计上的偶然事件，可能性不到1%。”

第二个信号模型的排除率尤其高，它在多个运动学变量上以超过99%的置信度被排除。第一个模型的统计显著性达到2.9σ，第二个模型的统计显著性达到3.8σ，远高于粒子物理学中通常认为显著的阈值。

未解答的问题

尽管这项彻底的分析最终排除了 MiniBooNE 异常现象的主要解释，但过剩现象本身仍无法解释，仍有可能存在其他原因。

特雷廷说：“这种异常现象本身在统计学上具有极高的意义，需要进行解释，而且还有许多其他假设?！?/span>

几种替代解释仍在调查中。鉴于 MiniBooNE 无法分离光子和电子信号，过剩信号可能来自光子而非电子。

超越标准模型的奇异物理学提供了其他解释，包括具有异常相互作用的惰性中微子，或来自假设的暗区的粒子。

“一些超出当前粒子物理知识的其他物理过程也可能导致这种过剩。所有这些不同类型的解释都正在被 MicroBooNE 和新的费米实验室短基线计划积极研究，”高指出。

展望未来，距离中微子源更近的短基线近探测器 (SBND) 将提供更多的数据，以进一步限制系统不确定性并以更高的精度检验剩余的假设。

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