[論文レビュー] CeLAND: search for a 4th light neutrino state with a 3 PBq 144Ce-144Pr electron antineutrino generator in KamLAND

A. Gando, Y. Gando+64 more|arXiv (Cornell University)|Dec 3, 2013

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ひとこと要約

CeLANDは、KamLANDに75–100 kCiの144Ce-144Pr電子反ニュートリノ源を設置し、eVスケールの不活性ニュートリノ振動をテストすることを提案する。10 mの基準距離においてエネルギーおよび位置依存のニュートリノ消失を測定することで、sin²(2θ_new) > 0.05およびΔm²_new ≥ 0.1 eV²の混合パラメータを調べる。これは、原子炉およびガリウムの異常をモデルに依存しないクリーンなテストを提供する。

ABSTRACT

The reactor neutrino and gallium anomalies can be tested with a 3-4 PBq (75-100 kCi scale) 144Ce-144Pr antineutrino beta-source deployed at the center or next to a large low-background liquid scintillator detector. The antineutrino generator will be produced by the Russian reprocessing plant PA Mayak as early as 2014, transported to Japan, and deployed in the Kamioka Liquid Scintillator Anti-Neutrino Detector (KamLAND) as early as 2015. KamLAND's 13 m diameter target volume provides a suitable environment to measure the energy and position dependence of the detected neutrino flux. A characteristic oscillation pattern would be visible for a baseline of about 10 m or less, providing a very clean signal of neutrino disappearance into a yet-unknown, sterile neutrino state. This will provide a comprehensive test of the electron dissaperance neutrino anomalies and could lead to the discovery of a 4th neutrino state for Delta_m^2 > 0.1 eV^2 and sin^2(2theta) > 0.05.

研究の動機と目的

• 原子炉およびガリウムの反ニュートリノ異常を、電子ニュートリノが不活性状態に振動するのを探索することでテストする。
• 正確に把握された強力な反ニュートリノ源を用いて、短基準長スケールのニュートリノ振動に対するモデルに依存しないテストを提供する。
• 質量平方差Δm²_new ≥ 0.1 eV²および混合角sin²(2θ_new) > 0.05を有する4番目の軽いニュートリノ状態の存在を調べる。
• KamLANDの低バックグラウンドの液体シンチレーター検出器を用いて、振動による空間的・エネルギー的フラックス抑制を測定する。
• 1.5年間のデータ取得で、既存のKamLAND運用に最小限の影響を及ぼしつつ、1.5年以内に異常な混合パrameterを明確にテスト可能であり、必要に応じて検出器中心部への後続設置も可能である。

提案手法

• メヤク再処理施設で生成された75–100 kCiの144Ce-144Prベータ源を、日本・神岡に輸送して設置する。
• 第1段階では外側の水チェレンコフ遮蔽（Veto）に、第2段階では液体シンチレーター標的部に、約9.3 mの基準距離に設置する。
• 反ニュートリノ検出率のエネルギーおよび位置依存性を測定し、不活性状態混合に特徴的な振動パターンを同定する。
• ケロイメトリーおよびスペクトロスコピーを用いて、源の活性およびスペクトル形状を検証し、系統的不確実性を最小限に抑える。
• γ線バックグラウンド低減および放射線安全確保のため、高Zの wolfram アルミ合金遮蔽（厚さ35 cm）を設置する。
• 放射線純度およびバックグラウンド制御プロトコルを厳密に実施し、検出器内での相関および誤検出バックグラウンドを最小限に抑える。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 75–100 kCiの144Ce-144Pr反ニュートリノ源は、不活性状態への電子ニュートリノ消失を、振動に起因するものとして検出可能か？
• RQ2 KamLANDがΔm²_new ≥ 0.1 eV²およびsin²(2θ_new) > 0.05の不活性ニュートリノ振動に対してどの程度の感度を持つのか？
• RQ3 源の活性およびエネルギースペクトルはどの程度正確に測定可能か？これにより、振動解析における系統的不確実性をどの程度制約できるか？
• RQ4 感度を最大化しバックグラウンドを最小限に抑えるために、最適な設置配置（外側検出器 vs. 標的部）は何か？
• RQ5 低バックグラウンド環境において、源を安全に輸送・設置可能か？また、既存のKamLAND運用に最小限の影響を与えるか？

主な発見

• CeLAND実験は、Δm²_new ≥ 0.1 eV²およびsin²(2θ_new) > 0.05の不活性ニュートリノ振動を高い感度で調べることを目的として設計されている。
• 1.5年間のデータ取得で、原子炉およびガリウムの異常が示唆する異常な混合領域を明確にテストできる。
• 144Ce-144Pr源は、2.2 MeVの端点エネルギーと30.5日間の半減期を有する高強度で良好に特徴付けられた反ニュートリノフラックスを提供する。
• 2年間の運用後、源の活性は約14.4 kCiに低下し、標準的なB(U)カセットを用いた空輸が可能になる。
• 高Zの wolfram アルミ合金遮蔽により、2年後における1 m地点の線量率は約2.8 µSv/hに低下し、輸送および設置中の放射線安全を確保する。
• 1年後の崩壊熱は約279 Wであり、KamLANDの熱的および遮蔽設計制約内で管理可能である。