[論文レビュー] Investigation of antineutrino spectral anomaly with updated nuclear database

Xubo Ma, Le Yang+3 more|arXiv (Cornell University)|Jul 21, 2018

Advanced NMR Techniques and Applications被引用数 4

ひとこと要約

本研究では、JENDL/DDF-2015とJEFF3.1.1のデータを統合した更新された核構造データベースと、ENDF/B-VII.1の核分裂生成率を用いて、反粒子ニュートリノスペクトルを再計算することで、原子炉反粒子ニュートリノスペクトルの異常を調査した。5–7 MeVのスペクトルバンプは、235U、238U、239Pu、241Pu同位体の寄与によってよく説明され、核分裂生成率の相関が強く（r > 0.85、239Puと241Pu間で最大0.96）、異常は元のベータスペクトル測定の不確実性またはベータから反粒子ニュートリノへの変換プロセスの不確実性に起因する可能性があることが示唆された。

ABSTRACT

Recently, three successful antineutrino experiments (Daya Bay, Double Chooz, and RENO) measured the neutrino mixing angle theta_13; however, significant discrepancies were found, both in the absolute flux and spectral shape. In this study, the antineutrino spectra were calculated by using the updated nuclear database, and we found that the four isotopes antineutrino spectrum have all contribution to the 5--7 MeV bump with ENDF/B-VII.1 fission yield. The bump can be explained well using the updated library and more important isotopes contribution to the bump were also given. In the last, the fission yield correlation coefficient between the four isotopes were discussed, and found that the correlation coefficients are very large.

研究の動機と目的

• 原子炉実験で観測された5–7 MeVの反粒子ニュートリノスペクトルバンプの原因を調査すること。
• 原子炉反粒子ニュートリノ異常は、ベータスペクトル測定の不正確さまたはベータから反粒子ニュートリノへの変換プロセスの不確実性に起因するのかを評価すること。
• 更新された核構造データおよび核分裂生成率ライブラリが反粒子ニュートリノスペクトル予測に与える影響を評価すること。
• 個々の同位体（235U、238U、239Pu、241Pu）がスペクトルバンプに与える寄与を定量化すること。
• 4つの主要同位体間の核分裂生成率相関を分析し、それらが異常解釈に与える総合的影響を評価すること。

提案手法

• JENDL/DDF-2015とJEFF3.1.1を統合した更新された核データベースから得た累積核分裂生成率とベータ崩壊パラメータを用いて、反粒子ニュートリノスペクトルをab initio法で計算した。
• 式 $ S(E_{\bar{\nu}}) = \sum_{i=1}^{N} Y_i \sum_{j=1}^{M} f_{ij} S_{ij}(E_{\bar{\nu}}) $ を使用した。ここで $ Y_i $ は累積核分裂生成率、$ S_{ij}(E_{\bar{\nu}}) $ は単一遷移における反粒子ニュートリノスペクトルである。
• ベータ崩壊スペクトルモデルにおける $ \delta(E_e, Z, A) $ を用いて、放射線的効果、有限サイズ効果、弱い磁気モーメント効果の補正を組み込んだ。
• ENDF/B-VII.1、JEFF3.1.1、JENDL4.0の核分裂生成率ライブラリを用いて、Huber-MuellerモデルおよびDaya Bay実験データと比較した。
• 235U、238U、239Pu、241Pu間の核分裂生成率相関係数を計算し、同位体間の依存関係を評価した。
• Daya Bayが測定した核分裂割合（235U: 58.6%、238U: 7.6%、239Pu: 28.8%、241Pu: 5.0%）を用いて、比較用の平均反粒子ニュートリノスペクトルを計算した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 更新された核データベースは、Daya Bay、Double Chooz、RENO実験で観測された5–7 MeVの反粒子ニュートリノスペクトルバンプを解消できるか？
• RQ2 4つの主要同位体（235U、238U、239Pu、241Pu）の中で、スペクトルバンプに最も顕著に寄与しているのはどれか？
• RQ3 4つの同位体間の核分裂生成率相関は、反粒子ニュートリノ異常解釈にどのように影響するか？
• RQ4 ベータスペクトル測定の不確実性またはベータから反粒子ニュートリノへの変換プロセスの不確実性が、観測されたスペクトル異常をどの程度説明できるか？
• RQ5 なぜ、Daya Bayデータと更新されたab initio計算とのスペクトル比には5–7 MeV領域にバンプが現れるが、Huber-Muellerモデルとの比には現れないのか？

主な発見

• 5–7 MeVの反粒子ニュートリノスペクトルバンプは、更新された核データベースによってよく説明され、235U、238U、239Pu、241Puの4つの同位体の寄与によって生じている。
• 各同位体のバンプへの寄与は2.4%を超えており、特に239Puと241Puが最も顕著な寄与を示している。
• 同位体間の核分裂生成率相関係数は非常に高く、239Puと241Pu間で最大の相関（0.96）を示し、ほとんどの係数が0.85を超えていた。
• Daya Bayデータとab initio予測とのスペクトル比は5–7 MeV領域にバンプを示すが、Huber-Muellerモデルとの比には示さないため、データとの一致が向上していることが示された。
• 更新されたデータベースを用いることで、Daya BayデータとHuber-Muellerモデルの乖離が減少し、異常は元のベータスペクトル測定またはILLでのベータから反粒子ニュートリノへの変換プロセスの不確実性に起因する可能性があることが示唆された。
• 本研究は、反粒子ニュートリノ異常と5 MeVバンプの両方が、元の集約的ベータスペクトル測定の不確実性またはベータから反粒子ニュートリノへの変換プロセスの不確実性に起因する可能性があると結論づけた。