MicroBooNE双束流实验排除轻惰性中微子解释LSND与MiniBooNE反常现象

《自然》期刊推荐：针对LSND和MiniBooNE实验观测到的vμ→ve反常振荡现象，MicroBooNE合作组利用液氩时间投影室探测器，首次采用双加速器中微子束流（BNB和NuMI）开展轻惰性中微子搜索研究。通过打破ve出现与消失之间的简并性，在95%置信水平下排除了单轻惰性中微子解释现有短基线反常现象的可能性，为粒子物理标准模型提供了重要实验支持。

在粒子物理标准模型的框架下，中微子有三种已知的味态：v_e、v_μ和v_τ。这些中微子可以通过量子力学干涉效应从一种味转变为另一种味，这种现象被称为中微子振荡。然而，过去三十年间多个实验观测到的反常现象与标准的三味中微子图像不符，其中最引人注目的包括LSND（Liquid Scintillator Neutrino Detector）实验和MiniBooNE（Mini Booster Neutrino Experiment）实验发现的反常v_μ→v_e转换信号。这些反常现象催生了一种假说：存在一种不与物质直接相互作用的新中微子态，即所谓的"惰性中微子"v_s。

惰性中微子的存在将对粒子物理学和宇宙学产生深远影响，例如改变我们对中微子质量起源、暗物质性质以及早期宇宙相对论自由度数量的理解。然而，验证这一假说面临重大挑战，因为v_e出现（v_μ→v_e转换）和v_e消失（v_e→v_e存活概率非1）效应在单一束流实验中存在简并性，会削弱对惰性中微子参数的敏感性。

为了解决这一关键问题，MicroBooNE合作组在《自然》杂志上发表了最新研究成果，报道了利用两个加速器中微子束流进行的轻惰性中微子搜索实验。该研究通过结合BNB（Booster Neutrino Beam）和NuMI（Neutrinos at the Main Injector）束流的数据，成功打破了v_e出现和消失之间的简并性，对惰性中微子假说提供了迄今为止最严格的实验限制。

研究方法上，研究人员主要采用了以下关键技术：使用液氩时间投影室（LArTPC）探测器进行高精度中微子相互作用成像；同时采集BNB和NuMI两个加速器中微子束流的数据（分别对应6.369×10²⁰和10.54×10²⁰质子打靶数）；利用Wire-Cell分析框架重建中微子相互作用；开发包含统计和系统不确定性的协方差矩阵进行联合拟合；采用频繁主义CL_s方法计算排除限。

束流配置与探测器性能

MicroBooNE探测器位于费米实验室，同时接收BNB和NuMI两个中微子束流。BNB束流产生8GeV质子轰击铍靶产生的中微子，v_e成分为0.57%；NuMI束流产生120GeV质子轰击碳靶产生的中微子，v_e成分为4.6%。这种电子味成分的显著差异是打破简并性的关键。探测器活性体积包含85吨液氩，通过273V/cm电场漂移电离电子，实现三维成像中微子相互作用。

简并性打破机制

研究团队通过模拟证明了双束流方法的优势。如图1所示，当Δm₄₁²=1.2eV²且sin²(2θ_μe)=0.003时，对于sin²θ₂₄=0.0045的参数组合，BNB束流中v_e出现和消失效应几乎完全抵消，谱与三味情况几乎相同，而NuMI束流则显示出v_e消失的迹象。相反，对于sin²θ₂₄=0.018的参数组合，NuMI束流中效应几乎抵消，而BNB束流显示出明显的v_e出现迹象。这种互补性使得两个束流结合能有效限制更广泛的参数空间。

数据分析与系统不确定性约束

研究选择了14个样本进行联合分析，包括来自两个束流的CC v_e、CC v_μ和NC π⁰样本。通过协方差矩阵方法同时拟合所有样本，系统约束后CC v_e预测的不确定性从16-26%降低到4-6%。数据与三味中微子假设预期高度一致，P值为0.92。四味假设的最佳拟合参数为Δm₄₁²=1.30×10^-2eV²，sin²(2θ_μe)=0.999，sin²(2θ_ee)=0.999，但与三味假设的χ²差异仅为0.228，没有显示出对惰性中微子存在的明显偏好。

振荡参数排除限

研究团队使用CL_s方法计算了95%置信水平的排除限。在(Δm₄₁², sin²(2θ_μe))参数空间中，排除了LSND实验99%CL允许区域和MiniBooNE实验95%CL允许区域的大部分参数空间。在(Δm₄₁², sin²(2θ_ee))参数空间中，排除了镓反常和Neutrino-4实验允许的显著部分参数空间。

研究结论表明，MicroBooNE双束流实验未发现轻惰性中微子存在的证据，以高统计显著性排除了单轻惰性中微子解释LSND和MiniBooNE反常现象的可能性。这是首次使用两个加速器中微子束流在单一探测器中进行惰性中微子搜索的研究，通过有效降低系统不确定性和打破简并性，为短基线中微子反常现象提供了最严格的实验限制。

该研究的重要意义在于，它为解决持续三十年的中微子反常争议提供了关键实验证据，强烈支持标准的三味中微子图像。虽然排除了简单单轻惰性中微子模型，但研究结果为探索更复杂的新物理模型（如多个轻惰性中微子、中微子衰变效应或暗物质相关新粒子产生和衰变）奠定了基础。未来的短基线中微子计划将继续在这一领域进行探索，为理解中微子性质和超越标准模型的新物理提供更多见解。