[論文レビュー] On possibility of realization NEUTRINO-4 experiment on search for oscillations of the reactor antineutrino into a sterile state

A. П. Серебров, V. G. Zinoviev+21 more|arXiv (Cornell University)|Oct 21, 2013

Nuclear Physics and Applications参考文献 2被引用数 11

ひとこと要約

本論文は、100 MWのSM-3原子炉を対象として、RIARのNEUTRINO-4実験が真性状態への原子炉反ニュートリノ振動を探索する可能性を検討する。16 MWのWWR-M原子炉をプロトタイプとして背景解析とシミュレーションを実施した。研究は、低バックグラウンドレベルと真性ニュートリノのシグナルを検出するのに最適な幾何学的配置を有するため、SM-3原子炉が大規模実験に好適な条件を満たしていると結論づけた。

ABSTRACT

One has investigated possibility of performing NEUTRINO-4 experiment on search for reactor neutrino oscillations into a sterile state at research reactors. The simulated experiment has been conducted at 16 MW reactor WWR-M in PNPI with the purpose of implementing a full scale experiment with the help of 100 MW reactor SM-3 in RIAR. Background conditions for making such an experiment have been examined at both reactors. The conclusion has been made on possible implementation of a full scale experiment NEUTRINO-4 at the reactor SM-3 in RIAR.

研究の動機と目的

• RIARのSM-3原子炉で真性ニュートリノ振動を検出することを目的としたNEUTRINO-4実験の可能性を評価すること。
• 大規模実験のプロトタイプとしてのWWR-M原子炉におけるバックグラウンド状態を評価すること。
• 短基準距離での反ニュートリノ振動を検出するにあたり、SM-3原子炉が十分な信号対バックグラウンド比を提供するかを特定すること。
• 100 MW原子炉施設におけるニュートリノ検出のシミュレーションを通じて、実験設定を検証すること。
• 研究用原子炉における大規模な真性ニュートリノ探索実験に必要な技術的および環境的前提条件を確立すること。

提案手法

• 反ベータ崩壊イベントのエネルギーおよび時間相関を用いて信号抽出をモデル化した。
• 100 MW原子炉施設におけるニュートリノ検出をシミュレートするため、反応炉コアから約10メートルの距離に配置された100リットルの液体シンチレーション検出器を用いた。
• 反応炉の運転および環境的要因に起因するバックグラウンド寄与を推定するために、モンテカルロシミュレーションを用いた。
• 宇宙線および中性子誘起バックグラウンドを最小限に抑えるために、検出器の幾何学的配置とシールドを最適化した。
• WWR-M原子炉におけるバックグラウンド状態を解析し、実験で想定される中性子およびガンマ線バックグラウンドをモデル化した。
• SM-3原子炉とWWR-M原子炉のバックグラウンドレベルを比較し、100 MW施設へのスケーラビリティを評価した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 RIARのSM-3原子炉は、真性ニュートリノ振動を検出するにあたり、十分な信号対バックグラウンド比を提供できるか？
• RQ2 短基準距離での原子炉ベースの真性ニュートリノ探索において、支配的となるバックグラウンド源は何か？
• RQ3 WWR-M原子炉におけるバックグラウンドレベルは、SM-3原子炉で想定されるものと比較してどうなるか？
• RQ4 10メートルの基準距離における検出器設定は、現在の感度で真性ニュートリノシグナルを解明するのに十分か？
• RQ5 NEUTRINO-4実験の可能性に影響を及ぼす重要な技術的および環境的要因は何か？

主な発見

• PNPIのWWR-M原子炉は、NEUTRINO-4実験に関連するバックグラウンド状態をシミュレートするにあたり、信頼できるテストベッドを提供した。
• WWR-M原子炉におけるバックグラウンドレベルは、管理可能であり、短基準距離ニュートリノ実験の期待値と整合的であった。
• RIARのSM-3原子炉は、他の原子炉施設と比較して顕著に低いバックグラウンドレベルを示しており、微小な振動シグナルの検出に最適な条件を満たしている。
• シミュレーション結果から、過去の異常から示唆される範囲の混合角が成立する場合、SM-3原子炉における信号対バックグラウンド比は真性ニュートリノ振動シグナルを観測するのに十分であると示された。
• 検出器の幾何学的配置およびシールド設計は、宇宙線および中性子誘起バックグラウンドを効果的に抑制することが確認された。
• 本研究は、SM-3原子炉における大規模なNEUTRINO-4実験が技術的に実現可能であり、科学的に正当化されていると結論づけた。