[論文レビュー] De-excitation gamma-rays from the s-hole state in 15N associated with proton decay in 16O

Kiyoshi Kobayashi, H. Akimune+22 more|ArXiv.org|Apr 10, 2006

Nuclear physics research studies被引用数 4

ひとこと要約

本研究では、水チェレンコフ検出器における陽子崩壊およびニュートリノ中性荷電相互作用探索に不可欠な、16O(p,2p)15N反応によって生成される15Nのs-hole状態からの脱励起γ線を測定した。Eγ > 6 MeVの全γ線発生確率は3.1%であり、主要な6.32 MeVγ線の約1/10に相当する。12CのT=1, 1+状態からの15.1 MeVγ線の99%信頼水準における上界は0.38%であった。

ABSTRACT

We have measured de-excitation gamma-rays from the s-hole state in 15N produced via the 16O(p,2p)15N reaction in relation to the study of the nucleon decay and the neutrino neutral-current interaction in water Cherenkov detectors. In the excitation-energy region of the s-hole state between 16 MeV and 40 MeV in 15N, the branching ratio of emitting gamma-rays with the energies at more-than-6 MeV are found to be 15.6+-1.3+0.6-1.0%. Taking into account the spectroscopic factor of the s-hole state, the total emission probability is found to be 3.1%. This is about 1/10 compared with the emission probability of the 6.32 MeV gamma-ray from the 3/2- p-hole state in 15N. Moreover, we searched for a 15.1 MeV gamma-ray from the 12C 1+ state which may be populated after the particle-decay of the s-hole state in 15N. Such a high energy gamma-ray from the hole state would provide a new method to search for mode-independent nucleon decay even if the emission probability is small. No significant signal is found within a statistical uncertainty.

研究の動機と目的

• 16O(p,2p)15N反応によって生成される15Nのs-hole状態からのγ線脱励起確率を測定すること。
• スーパーカミオカンデにおけるp→ν̄K+チャネルを用いた陽子崩壊探索における、s-hole状態からのγ線のバックグラウンド低減への応用可能性を評価すること。
• モードに依存しない核子崩壊検出を可能にする可能性を有する、12CのT=1, 1+状態からの15.1 MeVγ線の検出を試みること。
• 分光学的因子および発生確率の決定を通じて、水チェレンコフ検出器における検出効率推定値の改善を図ること。
• 実験データおよびモンテカルロシミュレーションを基に、15.1 MeVγ線発生確率の上界を設定すること。

提案手法

• 16Oに対する(p,2p)反応を実施し、16～40 MeVの励起エネルギー領域で15Nのs-hole状態を励起した。
• 2つの陽子放出事象と一致する高分解能γ線分光法を用いて、脱励起γ線を検出した。
• 特に15.1 MeVピークのγ線エネルギー分布をモデル化するため、モンテカルロシミュレーションを適用した。
• (e,e'p)データから導かれた分光学的因子を補正することで、分岐比および発生確率を計算した。
• 統計的解析を用いて、15.1 MeVγ線発生確率の99%信頼水準における上界を設定した。
• 理論的予測および過去の推定値（例：Ejiri, Yamada）と照合し、一貫性を評価した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 15Nのs-hole状態からEγ > 6 MeVのγ線が発生する全確率は何か？
• RQ2 s-hole状態からのγ線発生確率は、p-hole状態からの主要な6.32 MeVγ線と比べてどの程度か？
• RQ3 s-hole状態の崩壊に続く12CのT=1, 1+状態からの15.1 MeVγ線信号は検出可能か？
• RQ4 15.1 MeVγ線発生確率の99%信頼水準における上界は何か？
• RQ5 測定された発生確率は、陽子崩壊およびニュートリノ実験における検出効率およびバックグラウンド低減にどのように影響するか？

主な発見

• 検出効率を補正した後、15Nのs-hole状態からのEγ > 6 MeVのγ線分岐比は15.6 ± 1.3 +0.6/-1.0%であった。
• 分光学的因子を補正した結果、Eγ > 6 MeVの全発生確率は3.1%であり、3/2− p-hole状態からの6.32 MeVγ線発生確率のおよそ1/10に相当する。
• Eγが3～6 MeVの範囲のγ線発生確率は27.9 ± 1.5 +3.4/-2.6%であり、このエネルギー領域での寄与が顕著であることが示された。
• 12C 1+状態からの15.1 MeVγ線に対して顕著な信号は観測されず、99%信頼水準における発生確率の上界は0.38%であった。
• 15.1 MeVγ線発生確率の理論的予測値は約0.007%であり、実験的上界よりも顕著に低い値であった。
• 4.4 MeVγ線の発生は顕著であり、12C + tチャンネルからのトリトン崩壊と整合的であり、空間SU(3)対称性に基づく選択則によって支持されている。