Phenomenology of Sterile Neutrinos Carlo Giunti
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1 Phenomenology of Sterile Neutrinos Carlo Giunti INFN, Sezione di Torino, and Dipartimento di Fisica Teorica, Università di Torino Neutrino Unbound: NUFACT 11 XIII th International Workshop on Neutrino Factories, Super-Beams and Beta-Beams 1-6 August 2011, CERN and UNIGE C. Giunti Phenomenology of Sterile Neutrinos 3 August /35
2 LSND [LSND, PRL 75 (1995) 2650; PRC 54 (1996) 2685; PRL 77 (1996) 3082; PRD 64 (2001) ] e L ³ 30m 20MeV E 200MeV Beam Excess Beam Excess p(ν _ µ ν_ e,e+ )n p(ν _ e,e+ )n other L/E ν (meters/mev) m 2 (ev 2 /c 4 ) Karmen Bugey 90% (L max -L < 2.3) 99% (L max -L < 4.6) CCFR NOMAD sin 2 2θ m 2 LSND 0 2eV 2 ( m 2 ATM m 2 SOL) C. Giunti Phenomenology of Sterile Neutrinos 3 August /35
3 MiniBooNE Neutrinos [PRL 98 (2007) ; PRL 2 (2009) 1802] e L ³ 541m 475MeV E 3GeV Events / MeV Data ν e from µ + ν e from K 0 ν e from K π 0 misid Nγ dirt other Total Background QE E ν (GeV) Excess Events / MeV 0.8 data - expected background best-fit ν µ ν e sin 2θ=0.004, m =1.0eV sin 2θ=0.2, m =0.1eV QE E ν (GeV) [MiniBooNE, PRL 2 (2009) 1802, arxiv: ] Low-Energy Anomaly! [Djurcic, arxiv: ] C. Giunti Phenomenology of Sterile Neutrinos 3 August /35
4 MiniBooNE Antineutrinos [PRL 3 (2009) ; PRL 5 (20) ] e L ³ 541m 475MeV E 3GeV Events/MeV 0.6 +/- ν e & ν e from µ Fit Region +/- ν e & ν e from K 0 ν e & ν e from K 0 π misid 0.4 Nγ dirt 0.2 other Constr. Syst. Error Best Fit (E>475MeV) 4 ) 2 68% CL 90% CL 99% CL KARMEN2 90% CL BUGEY 90% CL /c Events/MeV Data - expected background Best Fit sin 2θ=0.004, m =1.0eV 2 (ev 2 m sin 2θ=0.03, m =0.3eV LSND 90% CL QE E ν (GeV) [MiniBooNE, PRL 5 (20) , arxiv: ] -2-3 LSND 99% CL Agreement with LSND e signal! -2 2 sin (2θ) Similar L E but different L and E =µ Oscillations! -1 1 C. Giunti Phenomenology of Sterile Neutrinos 3 August /35
5 !" # $ $ % & ' $ ( )*+,- ),-". %$" /$/ /0!! " 2 4/ 3567 / 00*1" 8 9 : ;1!1" 69 :!*01!1" 34 $ 4 / ( <*+,-. :;! (. :++ " 6 4,86 4 //! " 4 /=! > / " ( / ; from M. Shaevitz, PANIC11, 26 July 2011 C. Giunti Phenomenology of Sterile Neutrinos 3 August /35
6 Beyond Three-Neutrino Mixing ν τ ν s1 ν µ ν e ν 2 ν 3 ν 4 ν 5 ν 1 m 2 1 m 2 2 m 2 3 ν s2 m 2 4 m 2 5 logm 2 m 2 SOL 3ν-mixing m 2 ATM m 2 SBL C. Giunti Phenomenology of Sterile Neutrinos 3 August /35
7 Standard Model Neutrinos are the only massless fermions Neutrinos are the only fermions with only left-handed component L Extension of the SM: Massive Neutrinos Simplest extension: introduce right-handed component R Dirac mass m D R L + Majorana mass m M c R R el L L + er R R =µ 6 massive Majorana neutrinos C. Giunti Phenomenology of Sterile Neutrinos 3 August /35
8 Sterile Neutrinos Light anti- R are called sterile neutrinos c R sl (left-handed) Sterile means no standard model interactions Active neutrinos ( e ) can oscillate into sterile neutrinos ( s ) Observables: Disappearance of active neutrinos (neutral current deficit) Indirect evidence through combined fit of data (current indication) Powerful window on new physics beyond the Standard Model C. Giunti Phenomenology of Sterile Neutrinos 3 August /35
9 In this talk I consider sterile neutrinos with mass scale 1eV in light of LSND, MiniBooNE, Reactor Anomaly, Gallium Anomaly. Other possibilities (not exclusive): Very light sterile neutrinos with mass scale 1eV: important for solar neutrino phenomenology [de Holanda, Smirnov, PRD 83 (2011) , arxiv: ] Heavy sterile neutrinos with mass scale 1eV: could be Warm Dark Matter [Kusenko, Phys. Rept. 481 (2009) 1, arxiv: ] [Boyarsky, Ruchayskiy, Shaposhnikov, Ann. Rev. Nucl. Part. Sci. 59 (2009) 191, arxiv: ] C. Giunti Phenomenology of Sterile Neutrinos 3 August /35
10 Cosmology N s = number of thermalized sterile neutrinos (not necessarily integer) CMB and LSS in ΛCDM: BBN: [Hamann, Hannestad, Raffelt, Tamborra, Wong, PRL 5 (20) , arxiv: ] N s = m s 0 70eV (95% C.L.) [Giusarma, Corsi, Archidiacono, de Putter, Melchiorri, Mena, Pandolfi, arxiv: ] N s = N s = [Izotov, Thuan, ApJL 7 (20) L67, arxiv: ] N s 1 at 95% C.L. [Mangano, Serpico, PLB 701 (2011) 296, arxiv: ] [Cyburt, Fields, Olive, Skillman, AP 23 (2005) 313, astro-ph/ ] C. Giunti Phenomenology of Sterile Neutrinos 3 August 2011 /35
11 Direct Searches of Active-Sterile Transitions C. Giunti Phenomenology of Sterile Neutrinos 3 August /35
12 CCFR [PRD 59 (1999) 0311, arxiv:hep-ex/ ] NC interactions E 0GeV L ³ 1 4km C. Giunti Phenomenology of Sterile Neutrinos 3 August /35
13 MINOS NC sample: 89% efficiency and 61% purity 97% of e -induced CC events misidentified as NC [arxiv: ] Events/GeV (GeV) E reco Near Detector Data Monte Carlo Prediction CC Background ν µ L ND = 1 04km Events/GeV (GeV) E reco L FD = 735km Far Detector Data θ 13 = 0 2 θ = 11.5, δ = π, m32 >0 13 ν µ CC Background m 32 = 2.32 ev 2 sin 2θ 23 = /NDF / / C. Giunti Phenomenology of Sterile Neutrinos 3 August /35
14 24 8 Æ at 90% C.L. =µ U 4 2 ³ sin U at 99% C.L. Limit valid for m eV2. Hernandez, Smirnov, arxiv: For m eV2 SBL oscillations at Near Detector. MINOS insensitive to oscillations for m eV2 because oscillations already averaged at Near Detector. Oscillations with m 2 41 = (1 3)eV2 could explain some deficit of events observed in the low energy bins in the near detector and correspondingly the excess of events in the far detector. C. Giunti Phenomenology of Sterile Neutrinos 3 August /35
15 Reactor Antineutrino Anomaly [Mention et al, arxiv: ] R Old Reactor e Fluxes Reactor Rates Average Rate Bugey3 15 Gosgen 45 Bugey3 40 Gosgen 65 Bugey3 95 ILL Bugey4 Krasno 33 ROVNO Krasno 92 Gosgen 38 Krasno L [m] R = R New Reactor e Fluxes [Mueller et al, arxiv: ] Reactor Rates Average Rate Bugey3 15 Gosgen 45 Bugey3 40 Gosgen 65 Bugey3 95 ILL Bugey4 Krasno 33 ROVNO Krasno 92 Gosgen 38 Krasno L [m] R = C. Giunti Phenomenology of Sterile Neutrinos 3 August /35
16 P «P ««Effective SBL Oscillation Probabilities in 3+1 Schemes = sin 2 2 «sin 2 m 2 L 4E m = 1 sin 2 2 ««sin 2 2 L 4E Perturbation of 3 Mixing sin 2 2 «= 4 U «4 2 U 4 2 No CP Violation! sin 2 2 ««= 4 U «4 2 1 U «4 2 U e4 2 1 U U U s4 2 ³ 1 U e1 U e2 U e3 U e4 sin 2 2 ««1 U = U µ1 U τ1 U µ2 U τ2 U µ3 U τ3 U µ4 U τ4 U s1 U s2 U s3 U s4 SBL U «4 2 ³ sin2 2 ««4 C. Giunti Phenomenology of Sterile Neutrinos 3 August /35
17 2 m 2 [ev 2 ] GoF = 32% % C.L. ν µ >ν e: LSND+KARMEN+MiniBooNE ν µ >ν e: MiniBooNE PGoF = 0 89% sin 2 2ϑ eµ Tension between LSND + KARMEN + MiniBooNE e and MiniBooNE e =µ CP Violation? 3+2 =µ CP Violation OK [Sorel, Conrad, Shaevitz, PRD 70 (2004) , hep-ph/ ], [Maltoni, Schwetz, PRD 76, (2007), arxiv: ], [Karagiorgi et al, PRD 80 (2009) , arxiv: ], [Kopp, Maltoni, Schwetz, arxiv: ], [Giunti, Laveder, arxiv: ] 3+1+NSI =µ CP Violation OK [Akhmedov, Schwetz, JHEP (20) 115, arxiv: ] C. Giunti Phenomenology of Sterile Neutrinos 3 August /35
18 Effective SBL Oscillation Probabilities in 3+2 Schemes kj = m 2 kj L 4E = arg[u e4u 4U e5 U 5] P ( ) = 4 U ( ) e4 2 U 4 2 sin U e5 2 U 5 2 sin 2 51 e (+) +8 U 4U e4 U 5U e5 sin 41 sin 51 cos( 54 ) P ( ) «( ) «= 1 4(1 U «4 2 U «5 2 )( U «4 2 sin U «5 2 sin 2 51 ) 4 U «4 2 U «5 2 sin 2 54 C. Giunti Phenomenology of Sterile Neutrinos 3 August /35
19 3+2: MiniBooNE e and e P νµ νe MiniBooNE ν e exp P νµ νe <P > νµ νe E [MeV] P νµ νe MiniBooNE ν e exp P νµ νe <P > νµ νe E [MeV] P ( ) ( ) e = 4 U e4 2 U 4 2 sin U e5 2 U 5 2 sin U e4 U 4U e5 U 5 cos sin sin 2 51 sin 2 54 (+) 2 Ue4 U 4U e5 U 5 sin [sin(2 41 ) sin(2 51 )+sin(2 54 )] C. Giunti Phenomenology of Sterile Neutrinos 3 August /35
20 Disappearance Constraints C. Giunti Phenomenology of Sterile Neutrinos 3 August /35
21 e Disappearance and Disappearance 2 99% C.L. Bugey 3 (1995) Bugey 4 (1994) + Rovno (1991) Gosgen (1986) + ILL (1995) Krasnoyarsk (1994) 2 99% C.L. CDHSW (1984): ν µ ATM: ν µ + ν µ MINOS (2011): ν µ m 2 [ev 2 ] 1 m 2 [ev 2 ] sin 2 2ϑ ee New Reactor e Fluxes [Mueller et al., arxiv: ] [Mention et al., arxiv: ] sin 2 2ϑ µµ ATM constraint on U 4 2 [Maltoni, Schwetz, PRD 76 (2007) , arxiv: ] C. Giunti Phenomenology of Sterile Neutrinos 3 August /35
22 e disappearance experiments: 3+1 sin 2 2 ee = 4 U e4 2 1 U e4 2 ³ 4 U e4 2 disappearance experiments: sin 2 2 = 4 U U 4 2 ³ 4 U 4 2 e experiments: sin 2 2 e = 4 U e4 2 U 4 2 ³ 1 4 sin2 2 ee sin 2 2 Upper bounds on sin 2 2 ee and sin 2 2 =µ strong limit on sin 2 2 e [Okada, Yasuda, Int. J. Mod. Phys. A12 (1997) , arxiv:hep-ph/ ] [Bilenky, Giunti, Grimus, Eur. Phys. J. C1 (1998) 247, arxiv:hep-ph/ ] C. Giunti Phenomenology of Sterile Neutrinos 3 August /35
23 % C.L. Reactors CDHSW + Atm Disappearance LSND + MBν m 2 [ev 2 ] sin 2 2ϑ eµ C. Giunti Phenomenology of Sterile Neutrinos 3 August /35
24 2 99% C.L. MBν + LSNDν Dis + KAR + NOM + MBν m 2 [ev 2 ] GoF = 98% 1 PGoF = % : strong tension 3+2: next slides sin 2 2ϑ eµ Tension reduced in 3+1+NSI [Akhmedov, Schwetz, JHEP (20) 115, arxiv: ] No tension in 3+1+CPTV [Barger, Marfatia, Whisnant, PLB 576 (2003) 303] [Giunti, Laveder, PRD 82 (20) , PRD 83 (2011) ] Sterile neutrino decay? [Gninenko, arxiv: ] C. Giunti Phenomenology of Sterile Neutrinos 3 August /35
25 Global 3+2 Fits [Kopp, Maltoni, Schwetz, arxiv: ] [Giunti, Laveder, arxiv: ] m %, 95%, 99%, 99.73% CL (2 dof) m Best Fit: = 1 64 m41 2 = 0 47eV 2 m51 2 = 0 87eV2 U e4 2 = U e5 2 = U 4 2 = U 5 2 = min NDF = [ev 2 ] m m 41 [ev 2 ] % C.L. (1σ) 90.00% C.L % C.L. (2σ) 99.00% C.L % C.L. (3σ) Best Fit: = 1 52 m41 2 = 0 90eV 2 m51 2 = 1 60eV2 U e4 2 = U e5 2 = U 4 2 = U 5 2 = min NDF = C. Giunti Phenomenology of Sterile Neutrinos 3 August /35
26 3+2: Persisting Tension PG NDF PG 2 5 PGoF [Kopp, Maltoni, Schwetz, arxiv: ] PG NDF PG 2 5 PGoF [Giunti, Laveder, arxiv: ] 4 U e5 2 U µ % C.L. MBν + LSNDν Dis + KAR + NOM + MBν 4 U e4 2 U µ improvement of PGoF is mainly a statistical effect! 3+2 is preferred to 3+1 only for CP-violating MiniBooNE neutrino antineutrino difference. C. Giunti Phenomenology of Sterile Neutrinos 3 August /35
27 Back to 3+1 Simplest scheme beyond standard three-neutrino mixing which can partially explain the data. It corresponds to the natural addition of one new entity (a sterile neutrino) to explain a new effect (short-baseline oscillations). Minimum value of the global 2 is good: 2 min NDF = Marginal APP-DIS compatibility: 2 PG = 9 2 =µ PGoF = 1 0% % C.L. (1σ) 90.00% C.L % C.L. (2σ) 99.00% C.L % C.L. (3σ) [ev 2 ] 2 m DIS APP DIS 2 1 GAL DIS 1 1 sin 2 2ϑ eµ sin 2 2ϑ ee sin 2 2ϑ µµ C. Giunti Phenomenology of Sterile Neutrinos 3 August /35
28 Gallium Anomaly Gallium Radioactive Source Experiments Tests of the solar neutrino detectors GALLEX (Cr1, Cr2) and SAGE (Cr, Ar) Detection Process: e + 71 Ga 71 Ge+e e Sources: e + 51 Cr 51 V+ e e + 37 Ar 37 Cl+ e 51 Cr 37 Ar E [kev] B.R Ar (35.04 days) 37Cl (stable) 813 kev ν ( 9.8%) 811 kev ν (90.2%) [SAGE, PRC 73 (2006) , nucl-ex/ ] [SAGE, PRC 59 (1999) 2246, hep-ph/ ] C. Giunti Phenomenology of Sterile Neutrinos 3 August /35
29 p(measured)/p(predicted) GALLEX Cr1 SAGE Cr GALLEX Cr2 SAGE Ar [SAGE, PRC 73 (2006) , nucl-ex/ ] R Gallex-Cr1 B = RB Gallex-Cr2 = RB SAGE-Cr = RB SAGE-Ar = R Ga B = Bahcall cross section without uncertainty [Bahcall, PRC 56 (1997) 3391, hep-ph/97491] L GALLEX = 1 9m L SAGE = 0 6m R Gallex-Cr1 = R Gallex-Cr2 = R SAGE-Cr = R SAGE-Ar = R Ga = [Giunti, Laveder, PRC 83 (2011) , arxiv: ] Haxton cross section and uncertainty [Haxton, PLB 431 (1998) 1, arxiv:nucl-th/ ] C. Giunti Phenomenology of Sterile Neutrinos 3 August /35
30 Gallium Anomaly + Reactor Anomaly m 2 [ev 2 ] % C.L. Gallium Reactors Combined 2 min = 29 0 NdF = 40 GoF = 90% sin 2 2 = 0 13 m 2 = 1 95eV 2 PGoF = 7 9% sin 2 2ϑ C. Giunti Phenomenology of Sterile Neutrinos 3 August /35
31 Implications of Gallium and Reactor Anomalies Decay ( ) 0 Decay χ % Gallium Reactors Tritium Combined 99% 95.45% 90% 68.27% U e4 m 2 [ev] χ m 2 = U ek 2 mk 2 m = k [Giunti, Laveder, In Preparation] 99.73% Gallium Reactors Tritium Combined 99% 95.45% 90% 68.27% U e4 2 m 2 [ev] U ek 2 m k k C. Giunti Phenomenology of Sterile Neutrinos 3 August /35
32 Future MiniBooNE is continuing to take antineutrino data. e + ICARUS@CERN-PS: L 1km E 1GeV [C. Rubbia et al, CERN-SPSC ] ( ) ( ) e + ( ) ( ) + ( ) e ( ) e MicroBooNE will test the MiniBooNE low-energy anomaly by measuring 0 2 background. LSND reloaded? Super-Kamiokande doped with Gadolinium [Agarwalla, Huber, PLB 696 (2011) 359, arxiv: ] Reactor Anomaly: Nucifer, small scintillator detector at L = 7m [Lasserre, talk at EPS-HEP 2011] Possible experiment at a small-size fast neutron reactor [Yasuda, arxiv: ] C. Giunti Phenomenology of Sterile Neutrinos 3 August /35
33 Gallium Anomaly: new SAGE Gallium source experiments with 2 spherical shells [Gavrin et al, arxiv:06.23] e and e radioactive source experiments with low-threshold detectors. Borexino: ( ) e +e ( ) e +e [Cribier et al, arxiv: ] [Pallavicini, talk at BEYOND3NU] [Ianni, Montanino, Scioscia, EPJC 8 (1999) 609, arxiv:hep-ex/99012] LENS (Low Energy Neutrino Spectroscopy): e In 115 Sn+e +2 e +p n+e + [Agarwalla, Raghavan, arxiv: ] E th = 0 1MeV E th = 1 8MeV Spherical Gaseous TPC: [Vergados, Giomataris, Novikov, arxiv: ] Targets: 131 Xe, 40 Ar, 20 Ne, 4 He. Sources: 37 Ar, 51 Cr, 65 Zn, 32 P. Coherent neutrino-nucleon scattering in low-temperature bolometers [Formaggio, Figueroa-Feliciano, Anderson, arxiv: ] C. Giunti Phenomenology of Sterile Neutrinos 3 August /35
34 Near-Detector Beta-Beam experiments: [Agarwalla, Huber, Link, JHEP 01 (20) 071] N(A Z) N(A Z +1)+e + e ( ) N(A Z) N(A Z 1)+e + + e ( + ) ND Neutrino Factory experiments: [Giunti, Laveder, Winter, PRD 80 (2009) ] + +e + + e +e + e ND+FD at Low Energy Neutrino Factory (LENF) [poster by Pascoli and Wong] CPT tests: A CPT «= P «P «C. Giunti Phenomenology of Sterile Neutrinos 3 August /35
35 PRESENT Conclusions FUTURE? =µ Tetrahedral Double Planetoid Babel Tower e s C. Giunti Phenomenology of Sterile Neutrinos 3 August /35
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