[論文レビュー] Hanohano: A Deep Ocean Anti-Neutrino Detector for Unique Neutrino Physics and Geophysics Studies

J. G. Learned, Stephen T. Dye+1 more|ArXiv.org|Oct 28, 2008

Astrophysics and Cosmic Phenomena参考文献 3被引用数 34

ひとこと要約

Hanohanoは、地球のマントルおよび近隣の原子炉からの電子反ニュートリノを測定する10キロトン級の深海液体シンチレーション検出器を提案する。55–60 kmの距離で地球ニュートリノと原子炉反ニュートリノを検出することにより、物質効果に依存せずにニュートリノ質量階層とマントル内のTh/U比を高精度で特定可能であり、地球内部の熱源およびニュートリノ振動パラメータに関する独自の知見を提供する。

ABSTRACT

The science potential of a 10 kiloton deep-ocean liquid scintillation detector for ~1 MeV energy scale electron anti-neutrinos has been studied. Such an instrument, designed to be portable and function in the deep ocean (3-5 km) can make unique measurements of the anti-neutrinos from radioactive decays in the Earth'.s mantle. Ths information speaks to some of the most fundamental questions in geology about the origin of the Earth, plat e tectonics, the geomagnetic field and even somewhat indirectly to global warming. Measurements in multiple locations will strengthen the potential insights. On the particle physics side, we have identified a unique role in the study of anti-neutrinos from a nuclear power complex, at a range of 55-60 km off shore. Not only can precision measurements be made of most neutrino mixing parameters, including $θ_{13}$ (depending on magnitude), but the neutrino mass hierarchy can be determined in a method not heretofore discussed, and one which does not rely upon matter effects. This detector is under active study on paper, in the laboratory, and at sea. An interdisciplinary and international collaboration is in formation, and plans are in motion for a major proposal, to be followed by construction over several years.

研究の動機と目的

• 地球のマントルからの地質的ニュートリノのフラックスを測定し、ウランとトリウムの存在量と、それらがプレートテクトニクスを駆動し、地球磁場を生成する役割を特定する。
• 55–60 kmの距離に位置する原子力発電所からのニュートリノ振動を研究し、θ₁₃およびΔm²₃₁を含む混合パラメータを高精度で測定する。
• 物質効果に依存しない方法によりニュートリノ質量階層を決定し、既存の実験とは異なった補完的かつ新規な手法を提供する。
• 複数の地点での測定を可能にし、マントルにおけるU/Th分布の横方向非均一性を調査する。
• 反ニュートリノのシグネチャを用いた、原子炉の遠隔監視および密かに実施された核兵器実験の検出といった実用的応用を検討する。

提案手法

• 背景を低減し、低エネルギー反ニュートリノに対する感度を最大化するため、深海の3–5 km深度に10キロトン級の液体シンチレーション検出器を設置する。
• 逆ベータ崩壊反応を用いる: ̄νₑ + p → e⁺ + n。陽電子は即時閃光を発し、中性子は捕獲後に遅延したガンマ線閃光を発する。
• 時間的およびエネルギー的相関を持つパルス識別を適用し、背景と区別するため、特徴的な二重パルスシグネチャを活用する。
• 複数の深海地点での測定を実施し、マントル寄与を地殻由来の寄与から分離し、U/Th分布の横方向非均一性を調査する。
• 海洋上空の原子炉からの長基線測定により、sin²(2θ₁₃)を約0.05まで、Δm²₃₁を1%レベルで高精度に抽出する。
• 検出器の反ニュートリノフラックスの時間的変動への感度を応用し、マントルの放射能における年間変化を推定し、地熱反応モデルを制約する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 地球のマントルからの地質的ニュートリノのフラックスは何か？ また、地殻由来の寄与と比べてどうか？
• RQ2 地球のマントルにおけるトリウムとウランの比は何か？ また、内部熱生成にどのように寄与するか？
• RQ3 遠方の原子炉からの反ニュートリノを用いて、物質効果に依存しない方法でニュートリノ質量階層を決定できるか？
• RQ4 反ニュートリノフラックスの時間的変動は、マントルの放射能における横方向非均一性をどのように反映するか？
• RQ5 深海検出器は、高信頼性で密かに実施された核兵器実験または原子炉運用からの反ニュートリノを検出できるか？

主な発見

• Hanohanoによる1年間の観測では、マントルの地質的ニュートリノフラックスを約25%の精度で測定可能であり、マントル内のU/Th含有量に対する強固な制約が得られる。
• マントルにおけるTh/U比は約20%の精度で測定可能であり、地球内部の熱源および地球動力学的プロセスに関する重要な知見が得られる。
• 出力が0.3 TWを超える地熱反応炉が存在しないことを除外可能であり、仮説的な内部熱源に対する強い制限が得られる。
• θ₁₃の値に依存するが、物質効果に依存しない方法によりニュートリノ質量階層を決定可能であり、加速器ベースの実験とは補完的な手法を提供する。
• 複数サイクルの観測により、sin²(2θ₁₃)を約0.05まで測定可能であり、半サイクルのデータによりsin²(θ₁₂)を数パーセントの精度で測定可能である。
• 複数地点での反ニュートリノフラックスの年間変動を観測することで、マントルにおけるU/Th分布の横方向非均一性を段階的にマッピング可能となる。