[論文レビュー] Search for a sterile neutrino with the STEREO detector at ILL

S. Zsoldos|arXiv (Cornell University)|Feb 1, 2016

Neutrino Physics Research参考文献 5被引用数 3

ひとこと要約

本論文は、インスティテュート・ラウ・ランジュヴィン（ILL）におけるSTEREO実験を提示する。この実験は、9–11メートルの距離におけるコンactな原子炉から発する反ニュートリノのエネルギースペクトルを測定することで、反ニュートリノ異常を検証することを目的としている。ガリウムドープ液状シンチレーション検出器を用いて、陽電子と中性子の信号の遅延一致を検出することで、逆ベータ崩壊イベントを測定し、Δm² ≈ 0.1–1 eV²の短基準長スケールのステアーリングニュートリノの存在を確認または否定することを目的としている。2年間のデータ取得で、95%信頼水準での異常に対する感度を達成する予定である。

ABSTRACT

In 2011, a re-evaluation of the antineutrino spectrum emitted by nuclear reactors revealed a 6% deficit between the observed flux and the expected one. This anomaly is significant at 2.9$σ$ and can be explained by a new oscillation at short range due to a light sterile neutrino, with parameter $Δm^2=\mathcal{O}( ext{eV})$. The STEREO detector in construction at ILL will be the first ever to measure with precision its antineutrino spectrum and flux at very short distance (9-11m) and it will be able to confirm or reject the existence of this light sterile neutrino. In the following we introduce the relevant parameter to study the neutrino oscillation, then the STEREO detector and its discovery potential.

研究の動機と目的

• 予測値と比較して2.9σの欠損を示す反ニュートリノ流量の異常を解明すること。これは、ステアーリングニュートリノの振動を示唆する可能性がある。
• 反ニュートリノ実験およびガリウム実験が示唆するように、Δm² ≈ 0.1–1 eV²の軽いステアーリングニュートリノ状態の可能性を調査すること。
• 反ニュートリノ流量予測の不確実性を、総流量ではなくエネルギースペクトルの形状を測定することで克服すること。
• 非常に短い基準長での精密なスペクトル歪み測定を通じて、ステアーリングニュートリノ振動に対する高い感度を達成すること。
• コンパクトな研究用原子炉に設置された専用で高精度な検出器を用いて、ステアーリングニュートリノ仮説を決定的なテストすること。

提案手法

• ガリウムドープ液状シンチレーション検出器を用いて、逆ベータ崩壊（IBD）：ν̄_e + p → e⁺ + n により反ニュートリノを検出する6つのセグメント化検出器（各40×40×90 cm³）を用いる。
• 陽電子の消失による即時の信号（可視エネルギー E_vis = E_ν̄_e − 0.782 MeV）と、ガリウムへの中性子捕獲による遅延信号（8 MeVのγキャスケード）を測定する。
• 逃げるガンマ線を捕獲するためのγキャッチャー層を、ターゲットセルの間に設置し、エネルギー再構築の正確性を向上させる。
• 宇宙線背景を低減するために、検出器上部にウォーターチェレンコフミューオンバイアスを設置する。
• 熱中性子およびガンマ線による誤検出背景を低減するため、鉛とポリエチレンを用いた高密度遮蔽を施す。
• 光検出器の上部に厚いアクリルバッファを設けることで、光収率を向上させ、背景を抑制する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 Δm² ≈ 0.1–1 eV²の軽いステアーリングニュートリノ状態への振動によって、反ニュートリノ異常は説明可能だろうか？
• RQ2 短基準長（9–11 m）において、ステアーリングニュートリノ混合の影響で、原子炉反ニュートリノのエネルギースペクトルに測定可能な歪みが生じるだろうか？
• RQ3 STEREO検出器は、ステアーリングニュートリノ振動によるスペクトル歪みを、反ニュートリノスペクトルの系統的不確実性と区別できるだろうか？
• RQ4 反ニュートリノ異常で定義されるステアーリングニュートリノパラメータ空間に対して、STEREO検出器の感度はどの程度だろうか？
• RQ5 検出器は、誤検出および相関背景をどの程度効果的に抑制できるだろうか？これにより、必要な信号対雑音比を達成できるか？

主な発見

• STEREO検出器は、2年間のデータ取得で、反ニュートリノ異常に対する95%信頼水準での感度を達成することが設計されている。
• 最適化された遮蔽および時間分解能により、誤検出背景率を1 mHz未満に低減することが期待される。
• ポリエチレン遮蔽およびミューオンバイアスシステムにより、速い中性子による相関背景は約1 mHzにまで抑制される見込みである。
• 検出器のエネルギー分解能およびスペクトル測定能力により、Δm² ≈ 0.1–1 eV²および sin²(2θ_new) ≈ 0.17 のステアーリングニュートリノパラメータ空間を調査可能である。
• STEREO実験は、非常に短い基準長（9–11 m）で高精度な反ニュートリノスペクトルを測定する最初の実験となる。これにより、スペクトル歪みの直接的検証が可能になる。
• ステアーリングニュートリノ仮説の最良適合パラメータ（Δm² = 2.3 ± 0.1 eV²、sin²(2θ_new) = 0.17 ± 0.04）は、STEREOの感度がカバーする領域内にある。