[論文レビュー] Neutron lifetime, dark matter and search for sterile neutrino

A. П. Серебров, R. M. Samoilov+2 more|arXiv (Cornell University)|Feb 17, 2018

Atomic and Subatomic Physics Research参考文献 16被引用数 9

ひとこと要約

この論文は、中性子寿命の異常と原子炉反ニュートリノ異常を、中性子からダークマター中性子への振動（n → n′）によって説明するものである。ここでn′は、中性子質量より約3 MeV小さい質量をもつスティーリーなダークマター状態である。モデルは質量差 mₙ − mₙ′ ≈ 3 MeV を予測するが、核分裂生成物の同位体収量解析により、3 MeV以上の値は除外され、mₙ − mₙ′ ≤ 2 MeV の範囲が残り、妥当な範囲となる。

ABSTRACT

A review is focused on experimental measurements on neutron lifetime. The latest measurements with a gravitational trap (PNPI NRC KI) and a magnetic trap (LANL, USA) confirmed PNPI result of 2005. The results of measurements with storage of ultra cold neutrons are in agreement, yet, there is discrepancy with a beam experiment by $3.5σ$ (1% of decay probability), which is discussed in literature as "neutron anomaly" along with the ideas of explaining it by decay into dark matter partially. The second part of the paper is devoted to so called "reactor antineutrino anomaly", which refers to deficiency of the measured flux of antineutrino from reactor in respect to the calculated flux by $3σ$(deviation by 6.6%). Specific feature of the proposal in this paper lies in the fact that both anomalies can be accounted for by one and the same phenomenon of oscillation in baryon sector between a neutron and a neutron of dark matter $n{ ightarrow}n'$ with mass $m_{n'}$, somewhat less than mass $m_n$ of an ordinary neutron. Calculations of the proposed model require one free parameter: mass difference $m_n-m_{n'}$ if one normalizes probability of oscillations for a free neutron on "neutron anomaly" 1%, then, having succeeded to interpret 6.6% of neutron anomaly in calculations, one can determine mass difference. According to preliminary estimations, the mass difference is $m_n-m_{n'}{\approx}$ 3 MeV. However, the analysis of cumulative yields of isotopes occurs in fission fragments was performed and it does not confirm possibility of existence of additional decay channel with emission of dark matter neutron with mass difference $m_n-m_{n'}{\approx}$ 3 MeV. The result of the analysis is the conclusion that for mirror neutrons the region of the mass difference $m_n-m_{n'} {\geq}$ 3 MeV is closed. The region of the mass difference $m_n-m_{n'}{\leq}$ 2 MeV turned out to be not closed.

研究の動機と目的

• トラップされた超低温中性子とビームベースの方法による中性子寿命測定の間の乖離、すなわち「中性子異常」として知られるものを解消すること。
• 理論的予測に対して6.6%の欠損が観測された原子炉反ニュートリノフラックスの原因を説明すること。この現象は「原子炉反ニュートリノ異常」として知られる。
• 通常の中性子とダークマター中性子状態（n → n′）の間の振動を含む、単一の理論的枠組みで両者の異常を統一すること。
• 核分裂生成物からの実験データを用いて、通常の中性子とダークマター中性子の間の質量差を制約すること。

提案手法

• 中性子（n）が質量 mₙ′ < mₙ をもつダークマター中性子状態（n′）に変換するバリオン系の振動モデルを提唱する。
• 3.5σの差異を示す中性子寿命測定の1%のずれを、振動確率の正規化条件として用いる。
• 同じ振動モデルを用いて、原子炉反ニュートリノフラックスの6.6%の欠損を説明する。この場合も、同じ質量差 mₙ − mₙ′ を仮定する。
• 原子炉からの核分裂生成物の累積収量を分析し、n′の放出を伴う追加の崩壊経路の存在を検証する。
• 振動モデル下での予測同位体収量を実験データと比較し、mₙ − mₙ′ を制約する。
• 核分裂収量に観測されたずれがないことから、mₙ − mₙ′ ≥ 3 MeV の質量差は除外される。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 トラップ実験とビーム実験の間で観測された3.5σの差異として現れる中性子寿命の異常は、ダークマター中性子状態への振動によって説明可能か？
• RQ2 6.6%のフラックス欠損を特徴とする原子炉反ニュートリノ異常は、同じ振動メカニズムによって説明可能か？
• RQ3 実験的制約と整合する中で、通常の中性子とダークマター中性子の間の最大許容質量差 mₙ − mₙ′ は何か？
• RQ4 原子炉での核分裂生成物の観測収量は、mₙ − mₙ′ ≈ 3 MeV の中性子からダークマター中性子への振動チャネルの存在を支持するか、あるいは除外するか？
• RQ5 すべての利用可能な実験データと整合する mₙ − mₙ′ の上界は何か？

主な発見

• モデルは、通常の中性子とダークマター中性子状態（n′）との間の質量差が約3 MeVであると予測しており、中性子寿命測定の1%のずれと整合する。
• 同じ振動モデルは、原子炉反ニュートリノフラックスの6.6%の欠損をうまく説明でき、両者の異常を一つのメカニズムで統一する。
• 核分裂生成物の累積収量の解析により、mₙ − mₙ′ ≥ 3 MeV の崩壊経路の存在は除外される。
• 核分裂収量データに観測されたずれがないことから、mₙ − mₙ′ ≤ 2 MeV の領域は依然として妥当である。
• 両者の異常と整合するためには、質量差が3 MeV未満である必要があり、その上界は核分裂データによって制限される。