[論文レビュー] Proposal for an Electron Antineutrino Disappearance Search Using High-Rate 8Li Production and Decay

Adriana Bungau, Andreas Adelmann+17 more|University of Huddersfield Repository (University of Huddersfield)|May 20, 2012

Particle accelerators and beam dynamics参考文献 1被引用数 29

ひとこと要約

本稿では、8Liの崩壊静止状態を用いた高強度電子反ニュートリノ源を提案し、大規模なシンチレーション検出器を用いて逆ベータ崩壊を通じたステルラーニュートリノの振動を探索する。5年間の運転により、Δm² ≈ 1 eV²における3+1型ステルラーニュートリノモデルに対して20σの感度を達成でき、L/E依存の振動波形の高精度再構成により、1つまたは2つのステルラーニュートリノを区別可能である。

ABSTRACT

This paper introduces a novel, high-intensity source of electron antineutrinos from the production and subsequent decay of 8Li. When paired with an existing ~1 kton scintillator-based detector, this =6.4 MeV source opens a wide range of possible searches for beyond standard model physics via studies of the inverse beta decay interaction. In particular, the experimental design described here has unprecedented sensitivity to electron antineutrino disappearance at $Δm^2\sim$ 1 eV$^2$ and features the ability to distinguish between the existence of zero, one, and two sterile neutrinos.

研究の動機と目的

• ステルラーニュートリノの存在を示唆する短基準長ニュートリノ実験（LSND、MiniBooNE、原子炉、ガリウム）における長年の異常を解消すること。
• Δm² ≈ 1 eV²領域を、未曾有の感度で探査可能な高強度・低エネルギーの電子反ニュートリノ源の開発。
• L/E依存の振動波形の高精度測定を通じて、3+1型と3+2型ステルラーニュートリノモデルの区別を可能にすること。
• 反ニュートリノ消失と、弱い混合角の測定といった標準模型のプローブを併用することで、標準模型を越えた物理学の実験的検証のための実験台を提供すること。

提案手法

• 連続波サイクロトロンから得られる60 MeV/amuのH₂⁺ビーム（5 mA）を用い、20 cm径の⁹Be標的に7Liを含むスリーブで囲まれた7Li標的に中性子捕獲反応により8Liを生成する。
• 8Li同位体は静止状態でβ⁻崩壊を経て、ほぼ等方的かつ単エネルギーの電子反ニュートリノ放出を行う。平均エネルギー⟨Eν⟩ = 6.4 MeV、ピークエネルギーは9 MeVである。
• 反ニュートリノは逆ベータ崩壊（IBD）により検出される：ν̄ₑ + p → e⁺ + n。陽電子と中性子の信号はキロトンスケールの液体シンチレーション検出器で再構成される。
• 検出器は反ニュートリノエネルギーと発生位置を高精度で測定でき、振動確率を基準長とエネルギーの関数として調べるためのL/E比の再構成が可能である。
• 振動確率は3+1および3+2混合フレームワークを用いてモデル化され、3+1型ではP = 1 − 4|Uₑ₄|²(1−|Uₑ₄|²)sin²(1.27Δm²₄₁L/E)で表され、3+2型では修正された形をとる。これによりモデルの区別が可能である。
• ビームダイナミクス、空間電荷（K ~ 10⁻⁵）、および3次元フォーカス素子によるビーム均一性の制御を設計に組み込み、7Li標的に高強度で安定した照射を実現する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 高強度8Li源は、Δm² ≈ 1 eV²における電子反ニュートリノ消失を、ステルラーニュートリノ仮説を解明できる十分な感度で検出可能か？
• RQ2 L/Eスペクトルにおける振動波形パターンは、3+1型と3+2型ステルラーニュートリノモデルを区別できるか？
• RQ3 LSND、MiniBooNE、および原子炉の異常から導かれるステルラーニュートリノパラメータのグローバルフィット領域に対する、この装置の感度はどの程度か？
• RQ4 1–2 eV²領域において、形状のみの感度と率＋形状の感度が他の実験と比較してどう異なるか？
• RQ5 4か月間の運転で、3+1型モデルの一点（sin²2θ = 0.067、Δm² = 1 eV²）を5σで除外可能か？

主な発見

• 5年間の運転で、sin²2θ = 0.067、Δm² = 1 eV²における3+1型ステルラーニュートリノモデルに対して20σの感度を達成した。
• 同様の3+1型モデル点は、4か月間のデータ取得で5σの除外が可能である。
• 5年間でキロトンスケールの検出器は8 × 10⁵件以上の逆ベータ崩壊反応を収集し、高精度な振動研究が可能となった。
• 振動波形パターンにより、ほとんどのパラメータ空間のシナリオで3+1型と3+2型ステルラーニュートリノモデルを明確に区別できる。
• Δm² < 15 eV²の範囲では、フラックス正規化の不確実性が無視できるほど小さく、振動波形が解像可能である。
• この手法により、多数のe⁺-電子散乱イベント（5年間で7,200件以上）を用いた弱い混合角の高精度測定が可能となった。