[論文レビュー] Evaluation of reactor neutrino flux: issues and uncertainties

P. Vogel|arXiv (Cornell University)|Mar 29, 2016

Neutrino Physics Research参考文献 1被引用数 3

ひとこと要約

本稿は、原子炉反ニュートリノ発生率およびスペクトル予測の不確実性を評価し、観測された6%の発生率不足（『原子炉異常』）および5–7 MeV付近のスペクトル「盛り上がり」が、新物理ではなく、正確でない崩壊断面積データ、測定されていないベータ崩壊スペクトル、中性子スペクトル効果といった標準的物理的要因に起因する可能性を主張している。不確実性が現在低估されていると結論し、矛盾を解消するための改善された実験の実施を要請している。

ABSTRACT

Evaluation of the reactor $\barν_e$ flux and spectrum is an essential ingredient of their application in the neutrino oscillation studies. Two anomalies, i.e. discrepancies between the observed and expected count rates, are widely discussed at the resent time. The total rate is $\sim$ 6\% lower than the expectation at all distances $>$ 10 m from the reactor. And there is a shoulder (often referred to as "bump") at neutrino energies 5-7 MeV, not predicted in the calculated spectrum. I review the ways the flux and spectrum is evaluated and concentrate on the error budget. I argue that far reaching conclusions based on these anomalies should await a thorough understanding of the uncertainties of the spectrum, and point out possible standard physics sources of the anomalies.

研究の動機と目的

• ニュートリノ振動研究の基盤をなす予測された原子炉反ニュートリノスペクトルの信頼性を評価すること。
• 特に和集合法における発生率およびスペクトル計算の主な不確実性要因を同定すること。
• 観測された原子炉異常（6%の発生率不足）および5–7 MeV付近のスペクトル盛り上がりが、新物理ではなく既知の物理法則によって説明可能かどうかを評価すること。
• 特に238Uおよび準熱中性子効果に関する、核分裂断面積およびベータ崩壊スペクトルの改善された実験的データの必要性を強調すること。

提案手法

• 核分裂生成核種からの反ニュートリノスペクトルを和集合法により計算し、核分裂断面積、崩壊分岐比、個々のニュートリノスペクトルを統合する。
• 弱い磁気モーメント、有限核サイズ、形状因子に対する理論的補正を適用し、不確実性を約20–50%と推定する。
• Daya-Bay、RENO、Double Choozの実験データと、核データベース（例：ENDF/B-VII.1、JEFF-3.1.1）からの予測を比較する。
• 特に準熱中性子成分を有する沸騰水炉（PWR）において、中性子スペクトルの硬さが反ニュートリノスペクトルに与える影響を分析する。
• 測定された電子スペクトルから反ニュートリノスペクトルへの変換に関する感度解析を実施し、モデル仮定に起因して最大4%の変動が生じることを特定する。
• 238Uがスペクトル盛り上がりを生じさせている役割を評価し、そのスペクトルがより硬く、直接的な実験的検証が不足している点に注目する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 原子炉反ニュートリノ発生率予測における主な不確実性要因は何か？
• RQ2 最近の実験で観測された5–7 MeV付近のスペクトル盛り上がりは、新物理ではなく既知の核物理学的要因によって説明可能か？
• RQ3 核分裂断面積およびベータ崩壊スペクトルの不確実性が、原子炉異常にどの程度寄与しているか？
• RQ4 原子炉の中性子スペクトルの硬さが、予測される反ニュートリノスペクトルにどのように影響を与えるか？
• RQ5 現在の反ニュートリノスペクトルに対する1–2%の不確実性推定値は現実的か、それとも楽観的すぎるか？

主な発見

• 6%の発生率が低いという原子炉異常は、新物理ではなく、核分裂断面積および崩壊スペクトルデータの不確実性が低く見積もられていることに起因する可能性がある。
• 5–7 MeV付近のスペクトル盛り上がりは、直接測定が不十分で、現在の核データベースで異なる予測がなされている238Uのより硬い反ニュートリノスペクトルに起因する可能性が高い。
• 弱い磁気モーメントおよび有限核サイズ補正の不確実性は、特に禁制崩壊において最大約20–50%の不確実性をもたらす。
• 核分裂断面積の不確実性は、和集合法に約10%の不確実性をもたらすと仮定され、発生率予測に顕著な影響を与える。
• 測定された電子スペクトルから反ニュートリノスペクトルへの変換には、モデル仮定に起因して最大4%の変動が生じるため、5%の不確実性は妥当であると考えられる。
• 現在の反ニュートリノスペクトルに対する1–2%の不確実性推定値は楽観的であり、感度解析の結果を支持していない。