[論文レビュー] Axionlike particles searches in reactor experiments

D. Aristizábal Sierra, Valentina De Romeri+2 more|arXiv (Cornell University)|Oct 29, 2020

Dark Matter and Cosmic Phenomena参考文献 102被引用数 5

ひとこと要約

本論文は、共鳴状態の電磁的散乱（CE$ν$NS）を目的とした原子炉ニュートリノ実験を活用し、光子および電子と相互作用するアキシオン様粒子（ALPs）の探索を提案する。高強度の原子炉光子フラックスと低閾値検出器を活用することで、1 MeV未塔のサブ・MeV領域におけるALP-光子結合定数と、$g_{aee} \sim 10^{-8}$に達するALP-電子結合定数の感度を示し、TEXONOおよびBorexinoの既存制限を超える未探索領域をカバーする。

ABSTRACT

Reactor neutrino experiments provide a rich environment for the study of axionlike particles (ALPs). Using the intense photon flux produced in the nuclear reactor core, these experiments have the potential to probe ALPs with masses below 10 MeV. We explore the feasibility of these searches by considering ALPs produced through Primakoff and Compton-like processes as well as nuclear transitions. These particles can subsequently interact with the material of a nearby detector via inverse Primakoff and inverse Compton-like scatterings, via axio-electric absorption, or they can decay into photon or electron-positron pairs. We demonstrate that reactor-based neutrino experiments have a high potential to test ALP-photon couplings and masses, currently probed only by cosmological and astrophysical observations, thus providing complementary laboratory-based searches. We furthermore show how reactor facilities will be able to test previously unexplored regions in the $\sim$MeV ALP mass range and ALP-electron couplings of the order of $g_{aee} \sim 10^{-8}$ as well as ALP-nucleon couplings of the order of $g_{ann}^{(1)} \sim 10^{-9}$, testing regions beyond TEXONO and Borexino limits.

研究の動機と目的

• 既存および予定のCE$ν$NS施設を用いた原子炉ベースの実験によるアキシオン様粒子（ALPs）の検出可能性を検討すること。
• 特にMeV質量領域および弱い結合を持つ場合に、原子炉ベースの探索によって到達可能なALPパラメータ空間の新たな領域を同定すること。
• 宇宙論的および天体物理学的観測によってのみ制限が得られている現在のALP結合定数を、原子炉実験が検証可能であることを示すこと。
• プリマコフ過程、コンプトン様過程、および核励起状態の崩壊過程によるALP生成の感度を、低閾値検出器（GeおよびXeを含む）を用いて評価すること。
• TEXONO、Borexinoおよび天体物理学的観測からの既存制限と比較し、相補的なカバー範囲を強調すること。

提案手法

• 原子炉コア内での高強度光子フラックスに起因するプリマコフ過程およびコンプトン様過程によるALP生成のモデル化。
• 逆プリマコフ散乱、アキオエレクトリック吸収、およびALPが光子またはe$^+$e$^-$対に崩壊する検出メカニズムの分析。
• 現在および近い将来のCE$ν$NS実験を代表する10 kgゲルマニウム検出器を用いたモデル化。
• トンスケールのキセノン検出器の感度を予測し、将来の能力を評価すること。
• ALP質量範囲1–10$^7$ eVにおいて90%信頼水準（CL）の制限を計算すること。
• CAST+SUMICO、SN 1987A、HB星、太陽アキソン探索からの既存制限と比較すること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 原子炉ベースのCE$ν$NS実験は、ALP-光子およびALP-電子結合を通じてアキシオン様粒子を検出可能か？
• RQ2 特にMeV質量領域および弱い結合を持つ場合に、原子炉実験が到達可能なALPパラメータ空間の領域は何か？
• RQ3 原子炉ベースの感度は、既存の実験的および天体物理学的制限と比較してどうなるか？
• RQ4 原子炉実験は、星の冷却に関する議論から導かれる環境依存性の影響を、どの程度まで検証可能か？
• RQ5 原子炉コア内での核励起状態の崩壊過程が、ALP生成および検出の有効なソースとして成立するか？

主な発見

• 原子炉実験は、約1 MeVの質量領域におけるALP-光子結合定数を探索可能であり、これは現在、宇宙論的観測によってのみ制限されている領域である。
• ALP-電子結合定数の感度は$g_{aee} \sim 10^{-8}$にまで達し、5–20×10$^5$ eVの質量範囲でTEXONOおよびBorexinoの既存制限を上回る。
• ALP-核子結合定数のオーダー$g_{ann}^{(1)} \sim 10^{-9}$を検出可能とし、パラメータ空間においてこれまで未探索の領域にアクセス可能である。
• 核励起状態の崩壊からのALP-光子結合による検出は、0.2–2 MeVの範囲でBorexinoおよびTEXONOの制限を上回る感度を達成可能である。
• ALPの崩壊および逆過程は、SN 1987Aおよび球状星団の冷却によって制限されている領域を探索可能であり、環境依存性の検証が可能となる。
• 本研究は、既存のインfraストラクチャと低閾値検出能力を有するため、原子炉ベースのCE$ν$NS実験がALP探索に最も適していることを確認した。