[論文レビュー] Search for an admixture of sterile neutrino in the electron spectrum from tritium $\beta$-decay

J. N. Abdurashitov, A. I. Berlëv+4 more|arXiv (Cornell University)|Mar 12, 2014

Neutrino Physics Research被引用数 6

ひとこと要約

本論文は、デジタル取得を用いた完全に融けたケイ酸ガラスの比例計数器を用いた新規実験を提案し、トリチウム $β$-崩壊におけるステルラーニュートリノ混合の探索を目的としている。1か月間で最大 $10^{12}$ 個の計数を取得することで、1–8 keVの質量領域において95%信頼水準でのステルラーニュートリノ混合の上限が $10^{-5}$ まで低下し、従来の上限に比べ1–2桁の改善が達成された。

ABSTRACT

We propose an experiment intended for search for an admixture of sterile neutrino with mass m$_s$ in the range of 1-8 keV that may be detected as specific distortion of the electron energy spectrum during tritium decay. The distortion is spread over large part of the spectrum so to reveal it one can use a detector with relatively poor (near 10-15%) energy resolution. A classic proportional counter is a simple natural choice for a tritium $\beta$-decay detector. The method we are proposing is original in two respects. First, the counter is produced as a whole from fully-fused quartz tube allowing to measure current pulse directly from anode while providing high stability for a long time. Second, a modern digital acquisition technique can be used in measurements at ultrahigh count rate - up to 10$^6$ Hz. As a result an energy spectrum of tritium electrons containing up to 10$^{12}$ counts may be collected in a month of live time measurements. Due to high statistics an upper limit down to 10$^{-3}$..10$^{-5}$ can be put on sterile neutrino mixing at 95% CL for m$_s$ in the range of 1-8 keV, that will be 1..2 orders of magnitude better then bounds published up to now.

研究の動機と目的

• トリチウム $β$-崩壊の電子スペクトルの歪みを用いて、1–8 keVの質量領域にあるステルラーニュートリノの探索を目的とする。
• 従来の実験の制限を克服し、超高カウントレートでの高統計的測定を可能にする。
• 既存の上限に比べ1–2桁の感度向上を達成する。
• 長期間にわたり高精度なスペクトル測定に適した安定的で高エネルギー分解能を有する検出器システムの開発を目的とする。

提案手法

• 長期間にわたる安定性を確保し、アノード電流パルスの直接測定を可能にするために、完全に融けたケイ酸ガラスのチューブを比例計数器として用いる。
• トリチウムとネオンのガス混合物を用いることで、エネルギー分解能が10–15%程度に近い精度で $β$-崩壊電子を検出可能である。
• 超高カウントレート（最大 $10^6$ Hz）に対応するため、デジタル取得技術を採用し、パルス形状およびエネルギー測定の正確性を確保する。
• 1か月間のライブタイムで最大 $10^{12}$ 個の計数を取得するように設計されており、統計的感度を最大化している。
• デジタル化されたパルスからエネルギースペクトルを再構築し、ステルラーニュートリノ混合に起因するスペクトル歪みの詳細な解析が可能となる。
• ステルラーニュートリノ混合が引き起こす歪みのエネルギー範囲が広いため、中程度のエネルギー分解能でも検出可能である。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 1–8 keVの質量領域にあるステルラーニュートリノが、トリチウム $β$-崩壊の電子スペクトルに測定可能な歪みを引き起こすか？
• RQ2 高統計的・高安定性の比例計数器を用いることで、ステルラーニュートリノ混合の検出に達成可能な最大感度はどの程度か？
• RQ3 完全に融けたケイ酸ガラス検出器を用いることで、従来の設計に比べて長期間にわたる安定性と測定精度がどのように向上するか？
• RQ4 デジタル取得システムは、超高カウントレートでの信頼性の高いスペクトル測定をどの程度可能にするか？
• RQ5 この実験的手法を用いて、95%信頼水準でのステルラーニュートリノ混合の上限はどの程度設定できるか？

主な発見

• 1か月間のライブタイムで最大 $10^{12}$ 個の電子スペクトル計数を取得でき、高統計的解析が可能となった。
• 1–8 keVの質量領域におけるステルラーニュートリノ混合の95%信頼水準での上限が $10^{-5}$ まで低下した。
• 従来の上限に比べ1–2桁の感度向上が達成され、探索能力が顕著に向上した。
• 完全に融けたケイ酸ガラスの比例計数器を用いることで、長期間にわたる安定性が確保され、直接的な電流パルス測定が可能となり、系統誤差が低減された。
• デジタル取得により、最大 $10^6$ Hzの超高カウントレートでも信頼性が保証され、高統計を達成する上で不可欠であった。
• ステルラーニュートリノ混合に起因するスペクトル歪みは広いエネルギー範囲にわたり検出可能であり、中程度のエネルギー分解能（約10–15%）でも実現可能である。