[論文レビュー] Nuclear and Particle Conspiracy Solves Both Reactor Antineutrino Anomalies

Jeffrey M. Berryman, Vedran Brdar+1 more|arXiv (Cornell University)|Mar 22, 2018

Neutrino Physics Research被引用数 3

ひとこと要約

この論文は、スクリーンチレーター検出器における炭素13との非標準的相互作用を引き起こすアーベリアンゲージ対称性を持つ不活性ニュートリノモデルを提案しており、4.4 MeVの光子と中性子誘発プロトン反発を生成することで、5 MeVの反ニュートリノ事象を模倣する。このメカニズムは、同時に原子炉反ニュートリノ異常と5 MeVの事象過剰を説明する。

ABSTRACT

We address the 5 MeV event excess in the measured antineutrino spectrum from nuclear reactors in a beyond the Standard model framework, a challenge which has not been met to date. We employ nonstandard neutrino interactions with baryons that can induce the reaction $^{13}$C$(\overline{ u}, \overline{ u}^\prime n)^{12}$C$^*$ in organic scintillator detectors. The de-excitation of $^{12}$C$^*$ yields a prompt $4.4$ MeV photon, while the thermalization of the product neutron causes proton recoils, which in turn yield an additional prompt energy contribution with finite width such that this process can mimic neutrinos at around 5 MeV energy. We find that the minimal viable model that could induce this reaction involves a sterile neutrino charged under an Abelian symmetry group. Such sterile neutrinos can simultaneously explain the discrepancy between the measured and predicted antineutrino fluxes at short-baseline reactor experiments.

研究の動機と目的

• 長年の原子炉反ニュートリノ異常と、原子炉実験で観測された5 MeVの事象過剰を解消すること。
• 両方の異常を一つの理論的枠組み内で説明できる、標準模型を越えるメカニズムを特定すること。
• バリオンと非標準的ニュートリノ相互作用を媒介する、不活性ニュートリノがアーベリアン対称性に従う最小限の妥当なモデルを提案すること。
• ${}^{13}$C$(\overline{u}, \overline{u}'n)^{12}$C$^*$の崩壊に伴う信号が、有機シンチレーターで5 MeVの反ニュートリノ事象を模倣できることを示すこと。
• 同じメカニズムが、短基準長スケールの原子炉実験における予測と測定された反ニュートリノフラックスの差異を説明できることを示すこと。

提案手法

• スクリーンチレーター検出器内のバリオンと非標準的ニュートリノ相互作用を媒介する、アーベリアンゲージ対称性に従う不活性ニュートリノを導入すること。
• 反応${}^{13}$C$(\overline{u}, \overline{u}'n)^{12}$C$^*$をモデル化し、励起状態${}^{12}$C$^*$が4.4 MeVのガンマ線放出によって崩壊することを想定すること。
• 中性子の熱化効果を含め、プロトン反発による即時エネルギー損失を有限の幅を持つものとして扱うこと。
• 実験データと比較可能な、有効断面積およびエネルギースペクトルを計算すること。
• 既存の短基準長スケールの原子炉反ニュートリノフラックス測定とこのモデルの整合性を評価すること。
• 両方の異常を同時に説明できる、不活性ニュートリノモデルの最小限のパrameter空間を同定すること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 1つの標準模型を越えるメカニズムが、5 MeVの事象過剰と原子炉反ニュートリノフラックス異常の両方を説明できるか。
• RQ2 どのような不活性ニュートリノ相互作用が、有機シンチレーターで5 MeVの反ニュートリノを模倣する検出可能な信号を生成できるか。
• RQ3 ${}^{13}$Cとの非標準的ニュートリノ相互作用が、反ニュートリノ事象に類似した有限の幅を持つ即時エネルギー損失をどのように寄与するか。
• RQ4 両方の異常を説明できる、アーベリアン対称性を含む最小限の妥当なモデルは何か。
• RQ5 このメカニズムは、短基準長スケールの原子炉実験における予測と測定された反ニュートリノフラックスの差異をどの程度まで解消できるか。

主な発見

• 反応${}^{13}$C$(\overline{u}, \overline{u}'n)^{12}$C$^*$は4.4 MeVのガンマ線崩壊と中性子誘発プロトン反発を生成し、有限の幅を持つ即時信号を発生する。
• ガンマ線とプロトン反発によるエネルギー損失の合計が、5 MeV付近にピークを持つ反ニュートリノ事象を模倣する。
• アーベリアン対称性に従う不活性ニュートリノが、このプロセスを媒介する最小限の妥当なモデルを提供する。
• このモデルは、5 MeVの事象過剰と、短基準長スケールの原子炉で観測された反ニュートリノフラックスの差異の両方を同時に説明する。
• 非標準的相互作用メカニズムは、現在の反ニュートリノスペクトルおよびフラックスに関する実験的制約と整合している。
• 提案されたメカニズムは、原子炉ニュートリノ物理学における2つの長年の異常を統一的に説明するものである。