[論文レビュー] Search for neutrino oscillations at a research reactor

A. Derbin, A. Kayunov+1 more|arXiv (Cornell University)|Apr 11, 2012

Neutrino Physics Research参考文献 1被引用数 9

ひとこと要約

本論文は、100 MWの研究用原子炉における100 MWの研究用原子炉で、5–15 mの基準長における電子反ニュートリノがステアーラルニュートリノへの振動を探索するため、POSEIDON液体シンチレーション検出器を用いることを提案している。エネルギーおよび距離依存のフラックス変調を逆ベータ崩壊イベントから測定することで、δm² = (0.3–6) eV²およびsin²(2θ) ≥ 0.01の領域におけるステアーラルニュートリノパラメータを調べる。短基準長におけるニュートリノスペクトル内の振動波形の感度も得られる。

ABSTRACT

A project of search for oscillations of reactor neutrinos on a short, 5 - 15 meters, baseline with liquid scintillation position-sensitive detector POSEIDON is described. The oscillations of the electron antineutrinos into sterile neutrinos will be searched at 100 MW research reactor with the size of the active zone of about 0.5 m. The values of the oscillation parameters available for research are in the region $δm^2 = (0.3 - 6) m{eV}^2$ and $ m{Sin}^2(2θ)\geq 0.01$.

研究の動機と目的

• 研究用原子炉において、短基準長の電子反ニュートリノがステアーラルニュートリノへの振動を探索すること。
• LSND、MiniBooNE、およびガリウム実験の異常と整合するδm² ~ 1 eV²の第四のステアーラルニュートリノの存在を検証すること。
• 位置感度を持つ液体シンチレーション検出器を用いて、δm² = (0.3–6) eV²およびsin²(2θ) ≥ 0.01の領域における振動パラメータを測定すること。
• 反ニュートリノフラックスの空間的およびエネルギー的変動を解像することで、振動波形の感度を達成すること。
• 直接的な振動誘発スペクトル歪みの観測により、反ニュートリノフラックス欠損仮説を検証すること。

提案手法

• 逆ベータ崩壊（ν̄e + p → e⁺ + n）を用いて、連関するポジトロンおよび中性子信号を検出することで、電子反ニュートリノを検出する。
• 5–15 mの基準長における反ニュートリノフラックスの空間的変動を解像できる位置感度を持つ液体シンチレーション検出器を採用する。
• エネルギーおよび時間分解能を用いて、特に3–4 MeVエネルギー領域における振動誘発変調を検出する。
• ランダムな一致背景を低減するため、0.1% Gdドープされたシンチレーション材を用い、中性子捕獲のタイミングをτ ~ 25 msに向上させる。
• アクティブバイアスシステム、しきい値（e⁺のための≥1.5 MeV）、およびβ/p識別を用いてバックグラウンドを抑制し、速い中性子および放射性崩壊を除外する。
• 有限な源サイズ、エネルギー分解能、検出効率を含む検出器応答をシミュレーションし、観測可能な信号変調を予測する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 100 MWの研究用原子炉において、5–15 mの基準長で電子反ニュートリノがステアーラルニュートリノへの振動を観測できるか？
• RQ2 位置感度を持つ液体シンチレーション検出器が、δm² = (0.3–6) eV²およびsin²(2θ) ≥ 0.01の振動パラメータに対してどの程度の感度を持つのか？
• RQ3 逆ベータ崩壊率における空間的およびエネルギー的変動が、ステアーラルニュートリノ混合に起因する振動波形を明らかにできるか？
• RQ4 検出器のしきい値およびバックグラウンド抑制技術が、微小な振動信号の検出可能性にどのように影響するか？
• RQ5 研究用原子炉ニュートリノ実験における観測されたフラックス欠損は、どの程度までステアーラルニュートリノ振動によって説明可能か？

主な発見

• sin²(2θ) = 0.15の場合、前方（6–6.75 m）および後方（6.75–7.5 m）の検出器ボリューム間で逆ベータ崩壊率に4.5%の差が生じ、測定可能な振動変調に対応する。
• バックグラウンドが信号と同等で、検出効率がほぼ100%の場合、sin²(2θ)の不確実性を0.04に達するには約200日分のデータが必要である。
• 3–4 MeVエネルギー領域の反ニュートリノにおいて、1.5 mの検出器長さで1/R²則からのフラックス偏差が9%に達し、観測可能な振動波形が得られる。
• 光電子増倍管内の⁴⁰K由来のバックグラウンドを低減するため、ポジトロンの検出しきい値は1.5 MeV（Eν ≥ 2.3 MeVに対応）に設定されている。
• Gdにおける中性子捕獲の総検出効率は、2.6 MeVのしきい値で80%であり、MCシミュレーションと整合的である。
• 6 mおよび9 mの距離に二つの同一の検出器を設置することで、差動測定が可能となり、振動効果の感度と信頼性が向上する。