[論文レビュー] How Many Solar Neutrino Experiments Are Wrong?

John N. Bahcall|Jul 15, 1994

Neutrino Physics Research被引用数 33

ひとこと要約

この論文は、標準電弱理論が成り立つ限り、太陽ニュートリノ実験が正確であるならば、標準太陽モデルの予測と比べて観測された 7Be ニュートリノフラックスに著しい不足があるため、4 つの既存の太陽ニュートリノ実験のうち少なくとも 3 つが誤りでなければならないと主張している。分析では、塩素実験とカミオカンデのデータにゲルマニウム（GALLEX/SAGE）の結果を組み合わせ、95%信頼区間の上側限界として 7Be + CNO ニュートリノ捕獲率がたった 0.46 SNU にとどまることを示しており、予測の 1.1 SNU よりもはるかに低い。これは、複数の実験に誤りがあるか、ニュートリノの振動が発生しない限り、根本的な不一致を示している。

ABSTRACT

Ten recently-published solar models give $\7be$ neutrino fluxes that lie within a range of $\pm 10$\% of the average value, a convergence that is independent of uncertainties in the measured laboratory rate of the $\7be(p,γ)\8b$ reaction. If nothing happens to solar neutrinos after they are created ({\it a la} standard electroweak theory) and the operating solar neutrino experiments are correct, then the $\7be$ solar neutrino flux must be less than 50\% of the solar model value. At least three of the four existing solar neutrino experiments must be wrong {\it if}: (1) standard electroweak theory is correct, and (2) the true $\7be$ neutrino flux lies within the range predicted by standard solar models.

研究の動機と目的

• 7Be ニュートリノに対する観測された太陽ニュートリノ生成率と、標準太陽モデルの予測との整合性を評価すること。
• 生じた後、ニュートリノの変換が起こらないと仮定した場合、太陽ニュートリノ実験のうちいくつが誤りでなければならないかを特定すること。
• 保守的な統計的手法を用いて、塩素、カミオカンデ、GALLEX、SAGE 実験の統合的制約を評価すること。
• 8B ニュートリノ反応率の不確実性に依存しない、7Be ニュートリノフラックス欠如が強固で深刻な問題であることを確立すること。
• 7Be ニュートリノフラックスの不一致が、8B フラックス不一致と同程度深刻であることを主張し、複数の実験の妥当性を疑問視すること。

提案手法

• 塩素、カミオカンデ、GALLEX、SAGE の 4 つの太陽ニュートリノ実験の公表済み結果を使用する。
• 素粒子データグループが提唱する保守的な統計的手法を用いて、ニュートリノ捕獲率の 95% 信頼区間の上側限界を計算する。
• ニュートリノの振動が起こらないと仮定し、塩素実験とカミオカンデ実験の観測捕獲率を比較して、非 8B ニュートリノ（pep、7Be、CNO）のフラックスを推定する。
• カミオカンデのデータから予測される 8B ニュートリノ寄与分を塩素実験の全率から差し引いて、7Be + CNO フラックスを分離する。
• 10 個の標準太陽モデルから得られる、信頼性の高い 7Be ニュートリノフラックス（1.1 ± 0.1 SNU）を比較の基準として用いる。
• 平坦な事前確率を用いたベイズ統計を適用し、7Be と CNO ニュートリノ捕獲率の合計に対する保守的な上側限界を導出する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 標準電弱理論が成り立つ限り、7Be ニュートリノの太陽モデル予測が正確であるならば、太陽ニュートリノ実験のうちいくつが誤りでなければならないか？
• RQ2 観測データと保守的な統計を前提とした場合、塩素実験における 7Be と CNO ニュートリノ捕獲率の合計に対する 95% 信頼区間の上側限界は何か？
• RQ3 太陽ニュートリノ実験の文脈において、なぜ 7Be ニュートリノフラックスの不一致は 8B フラックス不一致と同程度深刻なのか？
• RQ4 観測された 7Be ニュートリノの欠如は、実験誤差のみで説明可能か、それとも新しい物理学を必要とするか？
• RQ5 カミオカンデのデータと組み合わせた場合、ゲルマニウム実験（GALLEX と SAGE）が 7Be ニュートリノフラックスに課す制約は何か？

主な発見

• 塩素実験における 7Be と CNO ニュートリノ捕獲率の合計に対する 95% 信頼区間の上側限界は 0.46 SNU であり、標準太陽モデルの予測（1.1 ± 0.1 SNU）よりも顕著に低い。
• 塩素実験における pep、7Be、CNO ニュートリノの最良推定捕獲率は負値（−0.66 ± 0.52 SNU）であり、ニュートリノの振動が起こらないと仮定した場合、根本的な不整合を示している。
• 標準太陽モデルでは、7Be ニュートリノフラックスが±6%の不確実性で強く予測されており、7Be(p,γ)8B 反応率の不確実性に依存しない。
• ゲルマニウム実験のデータと組み合わせると、7Be レートの 95% 信頼区間の上側限界は 19 SNU にとどまり、依然として標準モデルの予測（34 ± 4 SNU）の約 56% にとどまる。
• この分析から、標準電弱理論と太陽モデルの予測が両方とも正しいと仮定した場合、4 つの稼働中の太陽ニュートリノ実験のうち少なくとも 3 つが誤りでなければならないと示唆される。
• MSW ニュートリノ振動モデルでさえ、7Be ニュートリノフラックスが標準太陽モデルの予測より少なくとも 2 倍以上低い必要があると示唆される。