[論文レビュー] Beta Decaying Nuclei as a Probe of Cosmic Neutrino Background

R. Hodák, Sergey Kovalenko+2 more|arXiv (Cornell University)|Feb 9, 2011

Neutrino Physics Research参考文献 1被引用数 14

ひとこと要約

この論文は、KATRINおよびMARE実験におけるトリチウム（³H）およびルテニウム-187（¹⁸⁷Re）におけるβ崩壊核へのニュートリノ捕獲を通じて、宇宙の残りのニュートリノを検出する可能性を調査している。運動的閾値がないにもかかわらず、イベントレートが極めて低いため、重力的集積でさえも、検出可能性は依然として極めて限定的である。しかし、これらの実験は、残りのニュートリノ密度を制限する可能性がある。

ABSTRACT

We analyze the possibility of detection of cosmological relic neutrinos via neutrino capture on beta decaying nuclei. This reaction has no threshold in neutrino energy, which is crucial for searching for relic neutrinos possessing very low energies. We focus on tritium (3H) and rhenium (187Re) beta radioactive isotopes to be used in KATRIN and MARE experiments dedicated to measurement of the electron neutrino mass at sub-eV scale. We examine these experiments from the viewpoint of searching for the cosmological neutrinos via neutrino capture. We conclude that even with possible gravitational clustering of relic neutrinos the prospects for their detection in these and other similar experiments are not optimistic. Nevertheless KATRIN and MARE experiments could establish some usefull constraints on density of relic neutrinos.

研究の動機と目的

• β崩壊性核種（³Hおよび¹⁸⁷Re）が宇宙的残余ニュートリノのプローブとしての可能性を評価すること。
• sub-eV級電子ニュートリノ質量測定を目的としたKATRINおよびMARE実験が、ニュートリノ捕獲を通じて残余ニュートリノを検出できるかどうかを評価すること。
• 重力的集積が残余ニュートリノ密度に与える影響と、その検出可能性への影響を検討すること。
• これらの実験における捕獲事象の非観測をもとに、残余ニュートリノ数密度に定量的な上限を設定すること。

提案手法

• β放射性核におけるニュートリノ捕獲反応 νₑ + (A,Z) → (A,Z+1) + e⁻ を分析し、その閾値なしの性質に注目する。
• 核構造モデルを用いて、³Hおよび¹⁸⁷Reにおけるβ崩壊およびニュートリノ捕獲の行列要素を計算する。
• 相対論的フェルミ関数および部分波分解を用いて、娘核のクーロン場内の電子波動関数をモデル化する。
• 弱いハミルトニアンおよび核行列要素を用いて、位相空間要因を組み込んだ、ニュートリノ捕獲のイベントレートを推定する。
• 宇宙論的シミュレーションからの推定値を用いて、局所的残余ニュートリノ密度に及ぼす重力的集積の影響を検討する。
• 標的質量、エネルギー分解能、バックグラウンド要因を考慮し、KATRIN（³H）とMARE（¹⁸⁷Re）の検出感度を比較する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 KATRINおよびMARE実験は、³Hおよび¹⁸⁷Reにおけるニュートリノ捕獲を通じて、宇宙的残余ニュートリノを検出できるか？
• RQ2 残余ニュートリノの重力的集積が、ニュートリノ捕獲事象の検出可能性にどのように影響するか？
• RQ3 標準的な宇宙論的残余ニュートリノ密度下で、³Hおよび¹⁸⁷Reにおけるニュートリノ捕獲の期待イベントレートはどの程度か？
• RQ4 これらの実験におけるニュートリノ捕獲事象の非観測が、局所的残余ニュートリノ数密度にどの程度の上限を提供できるか？
• RQ5 ¹⁸⁷Reを数100kgにスケールアップしたMARE実験は、検出可能性を著しく向上させ得るか？

主な発見

• KATRIN実験における³Hにおける残余ニュートリノ捕獲のイベントレートは極めて低く、現在の技術では直接検出は困難であると推定される。
• 重力的集積によって局所的残余ニュートリノ密度が最大約100倍に増加しても、近い将来における観測には十分なレートに達しない。
• MARE実験を数100kgの¹⁸⁷Reにスケールアップすれば、KATRINに比べてはるかに高いイベントレートが得られる可能性があるが、技術的実現可能性は疑問視される。
• β崩壊端点からの捕獲信号を区別するためのエネルギー分解能はΔ ~ 0.1 eV程度と推定され、将来的な実験で達成可能かもしれない。
• KATRINおよびMAREにおけるニュートリノ捕獲の非観測から、依然として局所的残余ニュートリノ数密度の有用な上限が得られ、宇宙論的制限と補完的である。
• 高密度のニュートリノクラスタを通過する可能性は排除できない。理論的には、これにより現在または近い将来の実験でも検出が可能になる可能性がある。