[論文レビュー] New Search for Mirror Neutrons at HFIR

L. J. Broussard, Kathy Bailey+23 more|arXiv (Cornell University)|Oct 2, 2017

Dark Matter and Cosmic Phenomena参考文献 21被引用数 5

ひとこと要約

本論文は、高フラックス・イソトープ・リアクター（HFIR）で低コストかつ高感度の実験を提案し、磁場中での冷中性子を用いた中性子–ミラー中性子振動の探索を目的としている。既存のGP-SANS装置を活用し、消失および再生測定を実施することで、1週間未満のビームタイムで90%信頼水準においてτ < 15 sの振動時間の排除が可能であり、ミラーマター暗黒物質の強力なプローブを提供する。

ABSTRACT

The theory of mirror matter predicts a hidden sector made up of a copy of the Standard Model particles and interactions but with opposite parity. If mirror matter interacts with ordinary matter, there could be experimentally accessible implications in the form of neutral particle oscillations. Direct searches for neutron oscillations into mirror neutrons in a controlled magnetic field have previously been performed using ultracold neutrons in storage/disappearance measurements, with some inconclusive results consistent with characteristic oscillation time of $τ$$\sim$10~s. Here we describe a proposed disappearance and regeneration experiment in which the neutron oscillates to and from a mirror neutron state. An experiment performed using the existing General Purpose-Small Angle Neutron Scattering instrument at the High Flux Isotope Reactor at Oak Ridge National Laboratory could have the sensitivity to exclude up to $τ$$

研究の動機と目的

• ミラーマター仮説を検証するため、隠れたセクターに属する暗黒物質候補の予測される特徴である中性子–ミラー中性子振動の探索を行う。
• 超低温中性子実験の限界を克服するため、冷中性子と磁場制御を用いた新規アプローチを採用する。
• HFIRの既存インfraを活用し、最小限のビームタイムで振動時間τ < 15 sに対する高感度を達成する。
• 系のシステムティクスを検証し、信頼性を高めるために消失および再生測定を同時に実施する。

提案手法

• HFIRに既存の一般用途小角中性子散乱（GP-SANS）装置を活用し、最小限の改造で中性子振動探索を実施する。
• ソレノイドおよびコサイン・コイルを用いた磁場系を設計し、ムーニットシールドを併用することで20 cm径のビームラインで2 mGの均一性を達成する。
• 真空容器内にキャリブレーション済みの磁気計を設置し、フィードバック制御による磁場安定化を実現する。
• 消失フェーズおよび再生フェーズにおける中性子透過測定を実施し、磁場強度および方向をスキャンすることで共鳴振動信号を検出する。
• モンテカルロシミュレーションを用いて中性子フラックス、ビームライン幾何学、検出器応答をモデル化し、信号対背景比とフラックス正規化を最適化する。
• 磁場値の共鳴スキャンを実施し、測定された中性子数をシミュレートされた信号と比較することで、除外限界を抽出する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 冷中性子と磁場を用いた実験で、磁場中における中性子–ミラー中性子振動の感度をτ < 15 sに達することができるか？
• RQ2 消失および再生フェーズを同時に最適化することで、感度を最大化するとともにビームタイムを最小限に抑えることができるか？
• RQ3 磁場方向（BとB′の間の角度β）が振動確率および検出感度に与える影響は何か？
• RQ4 HFIRの既存GP-SANS装置を、低コストかつ主プログラムへの影響を最小限に抑えてこの探索に適合させることができるか？
• RQ5 τ < 15 sの90%信頼水準での除外を達成するには、どの程度の磁場制御およびフラックス正規化が必要か？

主な発見

• 既存のHFIRのGP-SANS装置を用いることで、1週間未満のビームタイムで、ミラーニュートロン振動時間τ < 15 sを90%信頼水準で除外可能である。
• 消失のみまたは再生のみの探索でも、磁場範囲-125 mG < B′ < 125 mGにおいてτ < 15 sの感度を達成可能である。
• 4方向の磁場スキャン（最悪ケースβ = 60°）を実施した再生探索では、単軸スキャンに比べ感度が2.5倍向上する。
• 異常な信号が消失および再生両フェーズに同時に現れるのは、両方の磁場系が同一に調整されている場合に限るため、本手法はシステムティクスに対して頑健である。
• ビームラインの改造は最小限に抑えられ、消失ビームライン、検出システム、磁場制御の導入に限定され、費用も低く、GP-SANS運用への大きな影響はない。
• 消失および再生を同時に実行する実験では、数週間のビームタイムで同程度の感度を達成可能であり、潜在的な信号の確認が可能となる。