[論文レビュー] The calorimetric spectrum of the electron-capture decay of $^{163}$Ho. A preliminary analysis of the preliminary data

A. De Rújula, M. Lusignoli|arXiv (Cornell University)|Oct 19, 2015

Nuclear physics research studies被引用数 5

ひとこと要約

本稿は、$^{163}$Hoの電子捕獲崩壊からのカリオリメトリックデータの予備的分析を提示し、特に2準位状態——とりわけ電子シェイクオフ——がエネルギー分光に顕著に寄与していることを強調している。従来の仮定とは対照的に、シェイクオフ過程はシェイクアップと同等に重要であり、これらの寄与を含む理論モデルと実験データは良好に一致しており、ニュートリノ質量抽出作業における従来の単純化を疑問視するものである。

ABSTRACT

It is in principle possible to measure directly the electron neutrino mass (or masses and mixing angles) in weak electron-capture decays. The optimal nuclide in this respect is $^{163}$Ho. The favoured experimental technique, currently pursued in various experiments (ECHo, HOLMES and NuMECS) is "calorimetric". The calorimetric energy spectrum is a sum over the unstable vacant orbitals, or "holes", left by the electrons weakly captured by the nucleus. We discuss the current progress in this field and analize the preliminary data. Our conclusion is that, as pointed out by Robertson, the contribution of two-hole states is not negligible. But --in strong contradistinction with the tacit conclusion of previous comparisons of theory and observations-- we find a quite satisfactory agreement. A crucial point is that, in the creation of secondary holes, electron shakeoff and not only electron shakeup must be taken into account.

研究の動機と目的

• 電子捕獲崩壊のカリオリメトリック分光における2準位状態の役割を再評価すること。
• 電子シェイクオフを無視した従来の理論的モデルが、低統計的データの解釈に十分であるかどうかを評価すること。
• 予備的なECHoおよびNuMECSデータに観察された分光的特徴が、シェイクアップおよびシェイクオフの両方の過程を含めることで説明可能かどうかを特定すること。
• カリオリメトリによる電子ニュートリノ質量測定の精度に及ぼす2準位状態の影響を評価すること。
• 二次的準位形成メカニズムの取り扱いを精緻化することで、理論的予測と実験的データの乖離を解消すること。

提案手法

• 2電子の非相対論的クーロン型モデルを用いて、$^{163}$Ho崩壊における2準位状態の確率を計算する。
• 各準位状態に関連するカリオリメトリックエネルギーピークを、幅$\Gamma_{\rm H}$およびエネルギー$E_{\rm H}$を有するBreit-Wigner共鳴関数でモデル化する。
• 二次的準位の両方のメカニズム——シェイクアップとシェイクオフ——を組み込み、それぞれ異なる分光的形状（シェイクアップは鋭いピーク、シェイクオフは広い特徴）を有する。
• 調整可能な正規化およびエネルギー分解能パラメータ（NuMECSでは$\Gamma_{\rm exp} = 16$ eV）を用いて、理論的分光を予備的なECHoおよびNuMECSデータにフィットする。
• 予測された2準位状態寄与（N1O1、N1N4/5）をデータと比較し、一致を高めるためにスケーリング係数を許容する。
• 崩壊率式において、完全な弱い相互作用行列要素および運動量空間因子$E_\nu p_\nu$を用い、$E_\nu = Q - E_c$とする。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 電子シェイクオフ過程が$^{163}$Ho崩壊のカリオリメトリック分光にどの程度寄与しているか、そしてシェイクアップと同等の大きさであるか。
• RQ2 従来の理論とデータの比較で生じる乖離の原因は何か。これは理論モデルでシェイクオフを無視しているためではないか。
• RQ3 特にN1ピークの下流に観察されるショルダーは、シェイクアップおよびシェイクオフを含む2準位モデルによって説明可能か。
• RQ4 現在の2準位状態確率に関する理論的予測は、予備実験データとどの程度一致するか。
• RQ5 M1捕獲に伴うN1シェイクオフ過程は、ニュートリノ質量感度に影響を与える分光歪みの主要因となり得るか。

主な発見

• 従来の仮定とは対照的に、$^{163}$Ho崩壊における2準位状態の寄与は無視できないものであり、電子シェイクオフはシェイクアップと同等に重要である。
• ECHoおよびNuMECSの予備データは、シェイクアップおよびシェイクオフの両方を含む理論モデルと良好に一致しており、特にN1O1シェイクオフ寄与が0.7の係数でスケーリングされた場合に顕著である。
• N1ピークの下流に観察されたショルダーは、O1シェイクオフによるものであり、期待されるレベルで存在しないN4/5シェイクアップとは異なる。
• 2準位状態確率の理論的予測は、データから約2倍のずれを示すが、中程度の調整で全体的な分光形状は良好に再現可能である。
• 単一準位ピークの幅および相対的強度についても、約20％の精度で予測可能であり、これは粗いモデルでも分光の本質的特徴を捉えることができることを示唆している。
• N4/5シェイクアップピークが検出不能であることから、このような寄与は抑制されていることが示され、分光のエンドポイント付近の形状を支配するのはシェイクオフであることが支持される。