利用自洽近似蒙特卡洛方法在 KATRIN 中通过飞行时间光谱估计 keV 尺度惰性中微子灵敏度

我们研究了卡尔斯鲁厄氚中微子实验（KATRIN）对 keV 尺度惰性中微子的灵敏度，这些中微子是很有希望的暗物质候选粒子。由于活性-惰性混合会在氚 $\beta$ 谱中引入一个相对强度约为 $\sin^2\theta \lesssim 1\times10^{-6}$ 的第二成分，因此需要额外的实验策略来提取这个微小的信号并消除系统误差。一种可能的策略是以替代的飞行时间（TOF）模式运行实验，从而产生与积分标准模式不同的微分 TOF 谱。为了从减少的样本量中估计灵敏度，我们开发了一种新的分析方法，称为自洽近似蒙特卡洛（SCAMC）。模拟显示，理想的 TOF 模式能够在一个 $\sigma$ 水平上达到 $\sin^2\theta \sim 5\times10^{-9}$ 的统计灵敏度，比标准模式提高了大约两倍。如果考虑额外的示例性系统误差，这种相对优势会显著增长。我们研究了一种利用现有硬件实现 TOF 模式的可行方案，称为门控滤波，但代价是平均信号率降低。