KATRIN实验利用自洽近似蒙特卡洛法提升keV级无菌中微子探测灵敏度

本文主要探讨了卡尔斯鲁厄核物理研究所（KATRIN）在探测keV能量尺度的无菌中微子（sterile neutrinos）时的敏感性研究。无菌中微子作为一种潜在的暗物质候选者，其与活跃（active）中微子的混合可能导致β衰变谱中出现一个相对较弱的次级成分，其相对强度约为sin²θ ≈ 10⁻⁶。这种微小特征的提取需要采用特殊的实验设计和分析方法，以克服系统性误差并增强信号。 研究者们提出了利用时间-of-flight (TOF) 光谱学技术来增强KATRIN实验的灵敏度。与传统的积分标准模式相比，TOF模式能够提供一个差分光谱，这有助于分离出无菌中微子的信号。然而，TOF模式的实施需要对现有硬件，如门控滤波器，进行调整，这可能会牺牲一部分平均信号速率。 为了处理较小的数据样本，研究团队开发了一种名为“自洽近似蒙特卡洛”（Self-Consistent Approximate Monte Carlo，SCAMC）的新分析方法。通过仿真模拟，结果显示在理想条件下，TOF模式能够在统计上达到约5×10⁻⁹的sin²θ敏感度，相比于标准模式，这一值提高了接近两倍。这意味着在考虑到其他潜在影响因素后，TOF模式在探测keV级无菌中微子上的性能提升将会更为显著。 论文《Eur.Phys.J.C》(2018)第78卷中的作者们，来自慕尼黑的核物理研究所、卡尔斯鲁厄理工学院和慕尼黑工业大学，他们详细讨论了这种方法的理论基础、实验设计以及预期的结果。这项工作的开放获取性质使得其他科学家可以方便地访问和评价他们的研究。这项研究为提高KATRIN实验在keV级无菌中微子搜索领域的敏感性提供了关键的科学和技术指导，对于理解暗物质领域具有重要的理论和实践价值。