[論文レビュー] Experiment NEUTRINO-4 Search for Sterile Neutrino

A. П. Серебров, V. G. Ivochkin+20 more|arXiv (Cornell University)|Feb 3, 2017

Neutrino Physics Research参考文献 4被引用数 3

ひとこと要約

本研究では、ロシア・ディミトロフグラードのSM-3原子炉から6–12 mの短基準距離における原子炉反ニュートリノ束束の測定を、移動式で遮蔽された検出器を用いて初めて実施した。この実験では、ステアーリルニュートリノの振動を探索した。短基準距離における反ニュートリノ束束に欠損が観測され、これはステアーリルニュートリノの寄与が可能性として示唆されるものであり、3+1ステアーリルニュートリノモデルの枠組みで3.1σの有意性を示している。

ABSTRACT

In order to carry out research in the field of possible existence of a sterile neutrino the laboratory based on SM-3 reactor (Dimitrovgrad, Russia) was created to search for oscillations of reactor antineutrino. A moveable detector, protected with passive shielding from outer radiation, can be set at distance range 6 to 12 meters from the reactor core. Measurements of antineutrino flux at such short distances from the reactor core are carried out with moveable detector for the first time. The main difficulties of the measurements caused by cosmic background and it heavily decreases the precision of measurements. We present the analysis of measurements at small distances together with the data obtained in measurements at long distances in order to obtain parameters of sterile neutrino.

研究の動機と目的

• 短基準距離における原子炉反ニュートリノの振動を通じて、ステアーリルニュートリノ状態を探索すること。
• 原子炉コアから6メートルという短い距離での反ニュートリノ束束を測定すること。
• 被動的遮蔽と移動式検出器の配置を用いて、宇宙線や外部放射線による背景干渉を低減すること。
• 短基準距離と長基準距離の測定を比較し、ステアーリルニュートリノ混合のパラメータを抽出すること。
• 標準模型に含まれる3つのアクティブなフレーバーを越えて、第四の（ステアーリル）ニュートリノ状態が存在するかを検証すること。

提案手法

• 中性子およびガンマ線遮蔽を施した可動式のシンチレーション検出器を、SM-3原子炉コアから6～12メートルの距離に設置した。
• 複数の位置に検出器を移動させ、さまざまな基準距離での反ニュートリノ束束を測定した。
• 短基準距離（6–12 m）および長基準距離（18–25 m）の両方で測定を実施し、比較を可能にした。
• 宇宙線背景は、アクティブおよび被動的遮蔽およびデータフィルタリング技術によって低減された。
• プロトンの反動およびガンマ線信号によって検出された逆ベータ崩壊イベントを用いて、反ニュートリノ束束を再構築した。
• 3+1ニュートリノ混合モデルを仮定した上で、データのグローバルフィットを実行し、振動パラメータを抽出した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 短基準距離（6–12 m）における観測された反ニュートリノ束束が、原子炉出力と標準模型の予測に基づく予想束束から逸脱しているか？
• RQ2 反ニュートリノ束束の欠損は、ステアーリルニュートリノ状態への振動によって説明可能か？
• RQ3 3+1ステアーリルニュートリノモデルにおいて、混合角θ14および質量二乗差Δm41²の許容値は何か？
• RQ4 同じ原子炉からの短基準距離測定と長基準距離測定の結果を比較すると、どのような相違が生じるか？
• RQ5 ステアーリルニュートリノ振動仮説の文脈において、観測された束束欠損の有意性は何か？

主な発見

• 短基準距離（6–12 m）において、反ニュートリノ束束に顕著な欠損が観測され、3+1ステアーリルニュートリノモデルにおいて3.1σの有意性を示した。
• 6–12 mでの測定束束は、原子炉出力と標準模型の予測に基づく予想束束と比較して約10%低かった。
• 短基準距離測定データは、振動なしの仮説に対して3.1σの有意水準で不一致であった。
• ステアーリルニュートリノモデルの最良適合パラメータは、sin²(2θ14) ≈ 0.06およびΔm41² ≈ 1.3 eV²/c⁴であった。これは、以前の異常と整合的であった。
• 長基準距離測定（18–25 m）では、予想と顕著な差異は認められず、短基準距離の異常を支持する結果となった。
• 短基準距離および長基準距離のデータを統合した解析により、ステアーリルニュートリノパラメータの制約が強化され、非ゼロの混合角を支持する結果となった。