[論文レビュー] Fill and dump measurement of the neutron lifetime using an asymmetric magneto-gravitational trap

C. Cude-Woods, Francisco M. González|arXiv (Cornell University)|May 4, 2022

Atomic and Subatomic Physics Research参考文献 37被引用数 5

ひとこと要約

本研究では、ロスアラモスの非対称な磁気重力トラップで、超低温中性子を貯蔵し、その後外部検出器に放出して数える「フィル・アンド・ダムプ」法を用いて中性子の平均寿命を測定した。その結果、τₙ = 877.1(2.6)stat(0.8)syst は、従来のイン・スイット検出法と整合しており、中性子寿命測定における系統的不確実性の重要な検証となる。

ABSTRACT

The past two decades have yielded several new measurements and reanalyses of older measurements of the neutron lifetime. These have led to a 4.4 standard deviation discrepancy between the most precise measurements of the neutron decay rate producing protons in cold neutron beams and the lifetime measured in neutron storage experiments. Measurements using different techniques are important for investigating whether there are unidentified systematic effects in any of the measurements. In this paper we report a new measurement using the Los Alamos asymmetric magneto-gravitational trap where the surviving neutrons are counted external to the trap using the fill and dump method. The new measurement gives a free neutron lifetime of . Although this measurement is not as precise, it is in statistical agreement with previous results using in situ counting in the same apparatus.

研究の動機と目的

• イン・スイット検出とは異なる計数法である「フィル・アンド・ダムプ」法を用いた中性子寿命測定の整合性を検証すること。
• ビーム法とトラップ法による寿命測定の間に生じる4.4σの乖離を説明する可能性がある、従来のイン・スイット測定における系統的誤差を調査すること。
• 同じ実験装置内で代替計数法を適用することにより、中性子寿命測定の頑健性を検証すること。
• 独立した測定手法と異なる系統的不確実性プロファイルを提供することで、長年の中性子寿命の謎の解消に貢献すること。

提案手法

• 800 MeVの中性子を用いたスパラレーションにより、LANSCE施設で固体重水素上で超低温中性子（UCN）を生成する。
• UCNは6 Tの超伝導ソレノイドで事前極化され、断熱的スピン反転により低磁場指向状態に励起され、捕らえられる。
• ハルバックアレイによって形成される非対称な磁気重力トラップに中性子をロードし、48 neVの捕らえポテンシャルを形成する。
• 貯蔵後、中性子は「トラップドア」を通じて放出され、外部の専用検出器を用いて計数され、これによりフィル・アンド・ダムプ法が実現される。
• ビーム強度の変動を補正するために、バッファ領域にアクティブなクリーナーとモニタを用いて計数を正規化する。
• 系統的不確実性は、同じ装置内でのフィル・アンド・ダムプ法と従来のイン・スイット検出法の比較により評価される。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 フィル・アンド・ダムプ計数法は、同じトラップ内でのイン・スイット検出と整合する中性子寿命をもたらすか？
• RQ2 フィル・アンド・ダムプ法は、イン・スイット測定には存在しない系統的誤差を明らかにできるか？そのような誤差がビーム法とトラップ法の間の4.4σの乖離を説明できるか？
• RQ3 外部検出とイン・スイット検出の両者において、位相空間の進化の結合効果が計数時間に与える影響は何か？
• RQ4 フィル・アンド・ダムプ法における系統的不確実性は、イン・スイット法と比べてどのように異なるか？
• RQ5 この新しい手法は、残留ガスにおける電荷交換が中性子寿命測定の乖離を説明できるという仮説を支持するか、あるいは反証するか？

主な発見

• フィル・アンド・ダムプ法による中性子寿命の測定結果は、τₙ = 877.1(2.6)stat(0.8)syst s であり、従来のイン・スイット測定と統計的に整合している。
• 外部計数法は、イン・スイット検出（7.1(2) s）と比較して、より長い時間定数（26.8(8) s）を示し、位相空間の進化効果に対する感度が高まっている。
• ビーム法とトラップ法の間の4.4σの乖離を説明できる新たな系統的誤差は同定されなかった。
• フィル・アンド・ダムプ法とイン・スイット法の結果の整合性は、イン・スイット測定法の信頼性を裏付けている。
• 結果は、中性子寿命の値に対する信頼性を高めたが、ビーム法との間の持続的な乖離は解消されていない。
• 本研究は、欠点があるものの、フィル・アンド・ダムプ法が中性子寿命測定における系統的不確実性の価値ある検証手段であることを確認した。