[論文レビュー] Hunt for Sterile Neutrinos: Decay at Rest Experiments

F. Suekane|arXiv (Cornell University)|Apr 21, 2016

Neutrino Physics Research参考文献 9被引用数 3

ひとこと要約

この論文は、LSNDの異常な$\overline{\nu}_e$過剰現象と次世代の実験（JSNS2、OscSNS、KPipe）に注目し、静止状態での崩壊（DAR）ニュートリノ実験が、$\Delta m^2 > 10^{-2}$ eV$^2$のステアリングニュートリノの振動を高感度で探査する強力な手法であることをレビューしている。$\pi^+$、K+、$\mu^+$の静止状態での崩壊から得られる正確に把握されたニュートリノエネルギー分布を活用することで、背景抑制と検出技術の向上により、LSNDの信号を確認または否定することを目的としている。

ABSTRACT

In the standard model of the elementary particles, the number of neutrino flavor is three. However, there have been indications of existence of 4th neutrino, called sterile neutrino, in some neutrino oscillation related experiments. A number of experiments are planned to test whether such indications are true or not. Among them, experiments which use neutrinos from pi+, K+, mu+ decay at rest (DAR) are promising because the energy spectra of neutrinos are very well known and clean oscillation measurements are possible. In this proceedings, properties of such DAR neutrinos and LSND, JSNS2, OscSNS and KPipe experiments are briefly introduced.

研究の動機と目的

• 標準の3フレーバー・モデルでは説明できないニュートリノ振動データの異常を説明できる可能性があるステアリングニュートリノの存在を調査すること。
• 静止状態での崩壊（DAR）によって生成される$\pi^+$、K+、$\mu^+$の崩壊から得られるニュートリノ源が、ステアリングニュートリノ振動を検出するためのクリーンで正確にキャリブレーションされた方法である可能性を評価すること。
• LSND実験が$\overline{\nu}_\mu \to \u005Coverline{\nu}_e$振動で陽性信号を報告したのに対し、次世代DAR実験（JSNS2、OscSNS、KPipe）の感度と設計的特徴を比較すること。
• 高精度な時間測定と粒子識別を用いて、ステアリングニュートリノの検出に適した出現（$\nu_\mu \to \nu_e$）および消滅（$\nu_\mu \to \nu_S$）チャネルの実現可能性を評価すること。

提案手法

• 静止状態での$\pi^+$、K+、$\mu^+$崩壊から得られる単色性の高いニュートリノビームを用い、エネルギースペクトルが明確に定義されている（例：$\pi^+$では$E_\nu = 30$ MeV、K+では236 MeV、$\mu^+$では52.8 MeV）ため、振動測定が高精度で可能となる。
• 厳密な時間窓を適用してニュートリノ信号を分離する：早期窓（$<30$ ns）では$\nu_\mu$（$\pi^+$/K+ DAR）を、後続窓（$>200$ ns）では$\mu^+$ DARからの$\overline{\nu}_\mu$と$\nu_e$を選別する。
• 遅延一致検出を用いて$\overline{\nu}_e$出現を同定する：例えば、$\mu^+$崩壊に続く2.2 MeV電子を検出後、11 ms後に$^{12}$Nからの$\beta^+$崩壊を検出する。
• 高光出力液体シンチレーション検出器（例：JSNS2のGdドープ）やチェレンコフ検出器（例：OscSNSおよびKPipe）を用い、パルス形状識別（PSD）または粒子識別により、信号とバックグラウンドを区別する。
• $\nu_\mu$消滅を測定する：$\nu_\mu + {}^{12}\text{C} \to \mu^- + X$ における荷電対相互作用の欠如（不足）を測定。KPipeでは、直径3 m、長さ120 mの円筒形検出器で$\mu^-$を検出する。
• $\nu_\mu$フラックスの$ L/E $依存性を解析し、DARニュートリノが持つ特徴的な鋭いエネルギー分布を活用することで、フラックスや効率の不確実性を回避し、振動パラメータを抽出する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 次世代の静止状態での崩壊実験が、LSNDで観測された$\overline{\nu}_\mu$ビーム中の$\overline{\nu}_e$過剰現象を確認または否定できるか？
• RQ2 JSNS2、OscSNS、KPipeのステアリングニュートリノ振動に対する感度（$\Delta m^2 > 10^{-2}$ eV$^2$）はどの程度か？
• RQ3 特に$\pi^-$および$\mu^-$の静止状態での崩壊に起因するバックグラウンドは、DAR実験でどの程度効果的に抑制できるか？
• RQ4 KPipe実験で提案されたように、$\nu_\mu \to \nu_S$消滅チャネルが、$\nu_\mu$フラックスの明確な$ L/E $依存性の欠如として観測可能か？
• RQ5 DARニュートリノを用いたステアリングニュートリノ検出において、出現チャネルと消滅チャネルの相対的利点は何か？

主な発見

• LSND実験では、$\overline{\nu}_\mu$ビーム中に88個の$\overline{\nu}_e$過剰イベントが観測され、$\Delta m^2 > 10^{-2}$ eV$^2$を示唆しており、3フレーバー振動では説明できない。これは4番目のステアリングニュートリノの存在を示唆している。
• JSNS2とOscSNSは、LSNDよりも10倍以上の感度を達成すると予想され、バックグラウンド抑制要因はそれぞれ$1.1 \times 10^{-4}$および$2.6 \times 10^{-4}$である。
• KPipe実験では、120 mの基準長、700トンの液体シンチレーション検出器を用い、$\nu_\mu + {}^{12}\text{C} \to \mu^- + X$を通じて$\nu_\mu$消滅を測定する計画であり、$\Delta m^2 \sim 10^{-2}$ eV$^2$および$\sin^2 2\theta \sim 0.2$の感度を有する。
• OscSNSでは、12.5 MeV電子と17.3 MeVの$\beta^+$崩壊（$^{12}$Nから）の遅延一致を用いて$\nu_\mu \to \nu_e$出現を検出する計画であり、11 msの時間窓と35 MeVエネルギーでの$\Delta E/E \approx 3\%$のエネルギー分解能を有する。
• J-PARC MLFでのK+ DARからの$\nu_\mu$フラックスは236 MeVで非常に単色的であり、システムティック不確実性が最小限に抑えられるため、$\nu_\mu$消滅測定に適している。
• $\pi^-$および$\mu^-$の静止状態での崩壊に起因するバックグラウンドは、標的に吸収されることで約$\sim 10^{-3}$の要因で抑制され、残存バックグラウンドはエネルギースペクトルから測定可能である。