[論文レビュー] Preparation of the Neutrino-4 experiment on search for sterile neutrino and the obtained results of measurements

A. П. Серебров, R. M. Samoilov+17 more|arXiv (Cornell University)|May 9, 2020

Neutrino Physics Research参考文献 7被引用数 19

ひとこと要約

Neutrino-4実験は、SM-3原子炉コアから6–12 mの距離において、原子炉反ニュートリノのフラックスとエネルギースペクトルを測定し、$\Delta m_{14}^2 = 7.25 \pm 0.13_{\text{st}} \pm 1.08_{\text{sys}} \, \text{eV}^2$ および $\sin^2 2\theta_{14} = 0.26 \pm 0.08_{\text{st}} \pm 0.05_{\text{sys}}$ のステアーリングニュートリノ振動信号を観測した。ガリウム異常および原子炉異常データと組み合わせると、$\sin^2 2\theta_{14} \approx 0.19 \pm 0.04$ が4.6σの有意水準で得られ、3+1ニュートリノモデルにステアーリングニュートリノ質量 $m_4 = 2.68 \pm 0.13 \, \text{eV}$ を含むことを支持する。

ABSTRACT

The experiment Neutrino-4 had started in 2014 with a detector model and then was continued with a full-scale detector. All steps of preparatory work on this experiment are presented. Were obtained the results of measurements of reactor antineutrino flux and spectrum dependence on the distance in the range 6-12 meters from the center of the reactor core at SM-3 reactor. Using all collected data, we performed the model independent analysis on the oscillation parameters $\Delta m_{14}^2$ and $\sin^22 heta_{14}$. The method of coherent summation of results of measurements allows us to directly observe the effect of oscillations. We observed an oscillation effect in vicinity of $\Delta m_{14}^2=(7.25\pm0.13_{st}\pm1.08_{sys}) ext{eV}^2$ and $\sin^22 heta_{14}= 0.26\pm0.08_{st}\pm0.05_{sys}$. We provide a comparison of our results with results of other experiments on search for sterile neutrino. Combining the result of the Neutrino-4 and the results of measurements of the gallium anomaly and reactor anomaly we obtained value $\sin^22 heta_{14}\approx0.19 \pm 0.04 (4.6\sigma)$. Also was performed comparison of Neutrino-4 results with results of other reactor experiments NEOS, DANSS, STEREO, PROSPECT and MiniBooNE, LSND experiments and the IceCube experiment. Mass of sterile neutrino obtained from data collected in the Neutrino-4 experiment (in assumption $m_4^2\approx \Delta m_{14}^2$) is $m_4=2.68\pm0.13 ext{eV}$. Using the estimations of mixing angles obtained in other experiments and our results we can calculate, within 3+1 neutrino model, masses of electron, muon, and tau neutrinos: $m_{ u_e}^{ ext{eff}}=(0.58\pm0.09) ext{eV}, m_{ u_\mu}^{ ext{eff}}=(0.42\pm0.24) ext{eV}, m_{ u_ au}^{ ext{eff}}\leq 0.65 ext{eV}$. Extended PMNS matrix for 3+1 model with one sterile neutrino is provided, neutrino flavor mixing scheme with sterile neutrino and global fit of reactor experiments.

研究の動機と目的

• SM-3原子炉でステアーリングニュートリノを探索するため、原子炉反ニュートリノ振動を用いる。
• コアからの距離（6–12 m）に応じた原子炉反ニュートリノのエネルギースペクトルおよびフラックスを測定する。
• coherent summationを用いたデータの統合により、モデルに依存しない $\Delta m_{14}^2$ および $\sin^2 2\theta_{14}$ の解析を実施する。
• NEOS、DANSS、STEREO、PROSPECT、MiniBooNE、LSND、IceCubeなどの他の実験と比較し、3+1ニュートリノモデルとの整合性を評価する。
• 3+1フレームワーク内でのアクティブニュートリノの有効質量（$m_{\nu_e}^{\text{eff}}, m_{\nu_\mu}^{\text{eff}}, m_{\nu_\tau}^{\text{eff}}$）を導出する。

提案手法

• SM-3原子炉コアから6–12 mの距離に、全スケールの検出器を設置し、反ニュートリノフラックスおよびエネルギースペクトルを測定した。
• 測定結果のcoherent summationにより、モデルバイアスなしに振動効果を直接観測可能となった。
• 理論的仮定を最小限に抑えるために、モデルに依存しない解析を適用し、$\Delta m_{14}^2$ および $\sin^2 2\theta_{14}$ を抽出した。
• 系統的誤差と統計的誤差を別々に評価することで、振動パラメータ推定値の妥当性を確保した。
• グローバルフィットにより、Neutrino-4データとガリウム異常・原子炉異常の結果を統合し、$\sin^2 2\theta_{14}$ を精緻化した。
• 3+1モデルを記述するため、ステアーリング状態を含むニュートリノフラバー混合を記述する拡張されたPMNS行列を構築した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 コアからの距離に応じて観測された原子炉反ニュートリノフラックスおよびスペクトルは、ステアーリングニュートリノ状態への振動を示唆するか？
• RQ2 Neutrino-4データから得られるモデルに依存しない $\Delta m_{14}^2$ および $\sin^2 2\theta_{14}$ の値は何か？
• RQ3 Neutrino-4の結果は、NEOS、DANSS、STEREO、PROSPECT、MiniBooNE、LSND、IceCube実験の結果とどのように比較できるか？
• RQ4 Neutrino-4測定に基づき、$m_4^2 \approx \Delta m_{14}^2$ を仮定した場合のステアーリングニュートリノの有効質量は何か？
• RQ5 3+1ニュートリノモデルにおいて、Neutrino-4の結果と組み合わせた場合、電子ニュートリノ、ミューオンニュートリノ、タウニュートリノの有効質量は何か？

主な発見

• Neutrino-4は、$\Delta m_{14}^2 = 7.25 \pm 0.13_{\text{st}} \pm 1.08_{\text{sys}} \, \text{eV}^2$ および $\sin^2 2\theta_{14} = 0.26 \pm 0.08_{\text{st}} \pm 0.05_{\text{sys}}$ のステアーリングニュートリノ振動信号を観測した。
• Neutrino-4とガリウム異常・原子炉異常データを組み合わせると、$\sin^2 2\theta_{14} \approx 0.19 \pm 0.04$ が4.6σの有意水準で得られた。
• 仮定 $m_4^2 \approx \Delta m_{14}^2$ のもとで、ステアーリングニュートリノ質量は $m_4 = 2.68 \pm 0.13 \, \text{eV}$ と推定された。
• 3+1モデルにおける有効電子ニュートリノ質量は $m_{\nu_e}^{\text{eff}} = (0.58 \pm 0.09) \, \text{eV}$ である。
• 有効ミューオンニュートリノ質量は $m_{\nu_\mu}^{\text{eff}} = (0.42 \pm 0.24) \, \text{eV}$ であり、タウニュートリノ質量は $m_{\nu_\tau}^{\text{eff}} \leq 0.65 \, \text{eV}$ で上限が与えられた。
• 3+1モデル用に拡張されたPMNS行列が構築され、Neutrino-4データを含む原子炉実験のグローバルフィットにより、軽量ステアーリングニュートリノの存在が支持された。