[論文レビュー] Measurement of the solar neutrino capture rate with gallium metal, Part III

J. N. Abdurashitov, В. Н. Гаврин+17 more|arXiv (Cornell University)|Jan 15, 2009

Neutrino Physics Research被引用数 4

ひとこと要約

この論文は、金属ガリウムにおける太陽ニュートリノ捕獲率のSAGE実験測定を報告しており、233 keVを超えるエネルギーを持つニュートリノに対して65.4 (+3.1/-3.0) stat (+2.6/-2.8) syst SNUの捕獲率を得た。SAGE、GALLEX、GNOの結果を統合したものは66.1 ± 3.1 SNUであり、ニュートリノ振動を考慮した標準太陽モデルと整合的である。また、ゲルマニウム-71の低エネルギー励起状態への捕獲断面積をゼロと仮定している。

ABSTRACT

The Russian-American experiment SAGE began to measure the solar neutrino capture rate with a target of gallium metal in Dec. 1989. Measurements have continued with only a few brief interruptions since that time. We give here the experimental improvements in SAGE since its last published data summary in Dec. 2001. Assuming the solar neutrino production rate was constant during the period of data collection, combined analysis of 168 extractions through Dec. 2007 gives a capture rate of solar neutrinos with energy more than 233 keV of 65.4 (+3.1)(-3.0) (stat) (+2.6)(-2.8) (syst) SNU. The weighted average of the results of all three Ga solar neutrino experiments, SAGE, Gallex, and GNO, is now 66.1 +/- 3.1 SNU, where statistical and systematic uncertainties have been combined in quadrature. During the recent period of data collection a new test of SAGE was made with a reactor-produced 37Ar neutrino source. The ratio of observed to calculated rates in this experiment, combined with the measured rates in the three prior 51Cr neutrino-source experiments with Ga, is 0.87 +/- 0.05. A probable explanation for this low result is that the cross section for neutrino capture by the two lowest-lying excited states in 71Ge has been overestimated. If we assume these cross sections are zero, then the standard solar model including neutrino oscillations predicts a total capture rate in Ga in the range of 63-66 SNU with an uncertainty of about 4%, in good agreement with experiment. We derive the current value of the neutrino flux produced in the Sun by the proton-proton fusion reaction to be (6.0 +/- 0.8) x 10^(10)/(cm^2 s), which agrees well with the pp flux predicted by the standard solar model. Finally, we show that the data are consistent with the assumption that the solar neutrino production rate is constant in time.

研究の動機と目的

• SAGE実験を用いて、金属ガリウムにおける太陽ニュートリノ捕獲率をより高い精度で測定すること。
• 1989年から2007年までの長期データを用いて、太陽ニュートリノ生成率の時間的安定性を検証すること。
• 原子炉および放射性同位体ニュートリノ源を用いた測定と予測値の間に生じる乖離を評価すること。
• 71Geにおける励起状態の断面積が観測された捕獲率に与える影響を評価すること。
• 太陽からのppニュートリノフラックスを測定し、標準太陽モデルの予測と比較すること。

提案手法

• バクサン地下ニュートリノ観測所に設置された57トンの金属ガリウム標的に基づく長期間にわたるニュートリノ捕獲測定を実施した。
• 1989年12月から2007年12月までの間、ガリウムから71Geを168回抽出し、ニュートリノ捕獲事象を測定した。
• 反応炉で生成された37Arニュートリノ源を用いてSAGE検出器の応答をテストし、観測された捕獲率と計算値を比較した。
• 統合された統計的および系統的不確かさを考慮した重み付き平均を用い、ガリウムを用いた3つのGaベースの太陽ニュートリノ実験（SAGE、GALLEX、GNO）のデータを統合した。
• 太陽内でのニュートリノ振動をモデル化し、71Geの2つの最低エネルギー励起状態への捕獲断面積をゼロと仮定することで、乖離を解消した。
• 測定された捕獲率を用いて太陽からのppニュートリノフラックスを計算し、標準太陽モデルの予測と比較した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 233 keVを超えるエネルギーを持つニュートリノについて、金属ガリウムにおける太陽ニュートリノ捕獲率は何か？
• RQ2 1989年から2007年までの18年間にわたり、太陽ニュートリノ生成率は一定であるか？
• RQ3 37Arおよび51Crニュートリノ源を用いた場合、観測された捕獲率が標準太陽モデルの予測値よりも低いのはなぜか？
• RQ4 71Geの2つの最低エネルギー励起状態へのニュートリノ捕獲断面積が、全体の捕獲率に与える影響は何か？
• RQ5 測定されたppニュートリノフラックスは、標準太陽モデルの予測とどのように異なるか？

主な発見

• 233 keVを超えるエネルギーを持つニュートリノについて、ガリウムにおける太陽ニュートリノ捕獲率は65.4 (+3.1/-3.0) stat (+2.6/-2.8) syst SNUと測定された。
• SAGE、GALLEX、GNOの結果の重み付き平均は66.1 ± 3.1 SNUであり、不確かさはルート二乗和で統合された。
• 37Arテストにおける観測された捕獲率と計算値の比は0.87 ± 0.05であった。これは、71Geの低エネルギー励起状態への断面積が過大評価されている可能性を示唆している。
• これらの励起状態への断面積をゼロと仮定した場合、ニュートリノ振動を含む標準太陽モデルは63–66 SNUの捕獲率を予測し、観測データと良好に一致する。
• 測定されたppニュートリノフラックスは(6.0 ± 0.8) × 10^10 個/cm²/秒であり、標準太陽モデルの予測と整合的である。
• データは太陽ニュートリノ生成率に顕著な時間的変化がないことを示しており、観測期間中にフラックスが一定であるという仮定を支持している。