[論文レビュー] A new high sensitivity search for neutron-antineutron oscillations at the ESS

D. Milstead|arXiv (Cornell University)|Oct 6, 2015

Neutrino Physics Research被引用数 5

ひとこと要約

本論文は、欧州スパルセーションソース（ESS）において、磁気シールド付き真空ビームラインを用いて冷たい中性子を200–300 m搬送し、反中性子が消失するのを高感度で探索する手法を提案している。この実験は、ILLの過去最高限界よりも3桁高い感度を達成することを目的としており、バリオン数不変性および標準模型を超える新しい物理の独自の探査手段を提供する。

ABSTRACT

A sensitive search for neutron-antineutron oscillations can provide a unique probe of some of the central questions in particle physics and cosmology: the energy scale and mechanism for baryon number violation, the origin of the baryon-antibaryon asymmetry of the universe, and the mechanism for neutrino mass generation. A remarkable opportunity has emerged to search for such oscillations with the construction of the European Spallation Source (ESS). A collaboration has been formed which has proposed a search at the ESS, which would provide a sensitivity to the oscillation probability which is three orders of magnitude greater than that achieved at an ILL experiment at which the present best limit on free neutron-antineutron oscillations was obtained.

研究の動機と目的

• 宇宙における物質-反物質非対称性を説明するための鍵となるバリオン数不変性（BNV）の探査として、中性子-反中性子遷移を探索すること。
• マヨラナニュートリノやR対称性破れ超対称性を含むバリオン数不変性の理論的モデルを検証すること。
• 現在のILL実験による最高限界よりも、遷移確率に対して3桁低い感度を達成すること。
• レプトン数不変性の影響を受けることのない、BNVのみの過程をきれいに研究できる実験環境を提供すること。
• ESSの高強度中性子ビームと先進的な検出器技術を活用し、信号対背景比と検出効率を最大化すること。

提案手法

• 回転するタングステン標的にてスパルセーション反応により中性子を生成し、冷たいエネルギー（5 meV未満）に moderators して、高強度で低エネルギーの中性子ビームを実現する。
• 磁気シールド付きの真空ビームラインを通じて200–300 mにわたって中性子を搬送し、磁場によるエネルギー分裂を最小限に抑える。
• スーパーミラー中性子反射体を用いて中性子を効率的にガイドする。主な目的は中性子束（N_n）と飛行時間（t）を最大化すること。
• 多π中性子消失のサインチャを特定できるよう、炭素またはベリリウム標的、荷電粒子トラッカー、カリメータ、飛行時間系を備えた検出器システムを設計する。
• ビームラインに沿って磁場を5 nT未満に保つために、被動的および能動的磁気シールドを組み合わせて使用し、遷移のコherencyを維持する。
• 外部からの背景を低減するために、宇宙線遮断システムと高レートで選択的なトリガー系を導入する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ILLの現在の限界よりも3桁高い感度で中性子-反中性子遷移を観測できるか？
• RQ2 ESSにおける自由中性子系で、中性子-反中性子遷移確率に対して達成可能な最大感度はどの程度か？
• RQ3 200–300 mの距離で遷移のコherencyを保つために、磁場とビームラインの幾何学的配置をどのように最適化できるか？
• RQ4 宇宙線や光子誘発過程に起因する背景を最小限に抑えつつ、信号検出効率を最大化する検出器構成は何か？
• RQ5 ESSの中性子ビームは、希少なBNV過程の検出に適した信号対背景比を達成するのに十分な束流と飛行時間を提供できるか？

主な発見

• 提案されたESS実験は、現在のILL実験による最高限界よりも中性子-反中性子遷移確率に対して約3桁低い感度を達成すると予想される。
• ESSの中性子源は、中性子束（N_n）と飛行時間（t）の積がN_n · t²に比例する感度スケーリングを実現でき、検出可能性を顕著に向上させる。
• 二重層の被動的シールドと能動的縦方向成分を組み合わせた磁気シールドにより、200–300 mのビームラインで磁場を5 nT未満に維持でき、遷移のコherencyを保つことができる。
• 炭素またはベリリウム標的、ストロングチューブまたはタイムプロジェクションチェンバー型トラッカー、および飛行時間機能を備えた高精度カリメータを備えた検出器設計は、多π中性子消失事象を効率的に同定できると予想される。
• 共同研究チームは2017年までに技術的設計レポートを完了し、2019年に建設を開始し、2023年から2025年にかけて物理データ取得実験を実施する予定である。
• ビームポートの改造により、角度受容角を拡大することで感度を約2倍に向上させられ、実験後には元に戻す可能性がある。