[論文レビュー] Search for Perturbations of Nuclear Decay Rates Induced by Reactor Electron Antineutrinos

V. E. Barnes, G. Deichert+11 more|arXiv (Cornell University)|Jun 30, 2016

Radioactive Decay and Measurement Techniques参考文献 2被引用数 3

ひとこと要約

本研究では、原子炉から生成される電子反ニュートリノが54Mn、22Na、60Coの核壊変率に影響を与えるかどうかを調査した。オールドリッジ国立研究所の高フラックス原子炉を用いて、高統計的精度で発電on/offサイクル中の崩壊率を測定した結果、感度約1–2×10⁻⁴の範囲内で顕著なずれは認められず、反ニュートリノ誘発の崩壊率変化に対してきびしい制限を課した。

ABSTRACT

We report the results of an experiment conducted near the High Flux Isotope Reactor of Oak Ridge National Laboratory, designed to address the question of whether a flux of reactor-generated electron antineutrinos can alter the rates of weak nuclear interaction-induced decays for Mn-54, Na-22, and Co-60. This experiment, while quite sensitive, cannot exclude perturbations less than one or two parts in $10^4$ in $β$ decay (or electron capture) processes, in the presence of an antineutrino flux of $3 imes 10^{12}$ cm$^{-2}$ s$^{-1}$. The present experimental methods are applicable to a wide range of isotopes. Improved sensitivity in future experiments may be possible if we can understand and reduce the dominant systematic uncertainties.

研究の動機と目的

• 核分裂炉から発生する電子反ニュートリノが、β⁺崩壊および電子捕獲を示す核種の崩壊率に影響を与えるかどうかを検証すること。
• ニュートリノまたは反ニュートリノ誘発の崩壊率変化といった、標準模型を超える新しい物理現象の可能性を調査すること。
• 太陽による崩壊率の変調に関する議論のあった報告を踏まえ、環境要因が核崩壊に与える影響を改善した感度を向上させること。
• 将来の弱い相互作用を示す粒子の研究に応用可能な、広範な核種に適用可能な堅牢な実験フレームワークを確立すること。

提案手法

• 85 MWのハイフラックスアイソトープ・リアクター（HFIR）で段階IIの実験を実施し、約3×10¹² cm⁻²s⁻¹の高い反ニュートリノフラックスを用いた。
• 高純度ゲルマニウム検出器を用いて、54Mn、22Na、60Coの崩壊系列からのガンマ線スペクトルを高いエネルギー分解能で測定した。
• 重複する発電on/off期間を用いてバックグラウンドを差し引いた。検出器のゲインドリフト補正のため、ゲイン安定化およびスペクトルスケーリング技術を適用した。
• 発電炉の燃料補充停止期間を、高・低反ニュートリノフラックス状態の崩壊率を比較するための自然なステップ関数信号として用いた。
• 統計解析を用いて、発電on時と発電off時の崩壊率を比較し、関心領域およびスペクトルピークに注目した。
• 152Euを基準源として用い、複数の検出器位置および構成での一貫性を確認することで、データのキャリブレーションと検証を実施した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 原子炉からの電子反ニュートリノフラックスが、54Mn、22Na、60Coの崩壊率に測定可能な変化を引き起こす可能性があるか？
• RQ2 高反ニュートリノフラックスと低反ニュートリノフラックスの期間における崩壊率に、統計的に有意なずれは認められるか？
• RQ3 検出器ゲインドリフトやバックグラウンドの揺らぎといった、系統的誤差が、反ニュートリノ誘発摂動の測定にどの程度影響を与えるか？
• RQ4 この実験装置は、1–2×10⁻⁴のレベルでの反ニュートリノ誘発効果を検出するのに十分な感度を達成できるか？
• RQ5 本結果は、ニュートリノ相互作用によって引き起こされる可能性のある太陽による崩壊率の変調に関する以前の報告を支持するか、それとも反証するか？

主な発見

• 発電on時と発電off時の間で、54Mn、22Na、60Coの崩壊率に顕著なずれは観測されなかった。
• β⁺崩壊または電子捕獲過程における摂動を検出する感度が、おおよそ1–2×10⁻⁴に達した。
• 系統的不確実性、特に検出器ゲインドリフトとバックグラウンドの揺らぎが、主な誤差要因であると特定された。
• 発電off時のバックグラウンドスペクトルは、発電on時と比べて約5倍低く、スペクトル構造が単純であった。
• 検出器1のゲインドリフトは、off期間中の毎時のゲイン追跡により正常に補正され、正確なスペクトルマッピングが確保された。
• 全測定フェーズにわたり、すべての核種のスペクトル形状およびピーク位置が安定的かつ一貫していたため、データの信頼性が裏付けられた。