[論文レビュー] The NNbar Experiment at the European Spallation Source

Matthew Frost|arXiv (Cornell University)|Jul 25, 2016

Atomic and Subatomic Physics Research被引用数 7

ひとこと要約

ヨーロピアンスパリケーションソースにおけるNNbar実験は、強力なパルス冷中性子ビームを用い、楕円形およびネストドリフレクターなどの先進的中性子光学技術を活用することで、標準模型理論を越える理論が予測するバリオン数不変性の破れを検出するための中性子-反中性子振動を探索する。この手法により、従来の実験と比較して1000倍高い感度が達成される。

ABSTRACT

The observation of neutron to antineutron oscillation would be the first experimental evidence to show that baryon number is not a conserved quantity. It also provides an answer to the hypothesized post-sphaleron baryogenesis mechanism shortly after the Big Bang. The free oscillation time {τ_{n ightarrow\bar{n}} has a lower limit at 8.7 x 10^7 seconds determined at ILL in 1994. Current beyond Standard Model theories of this oscillation time estimate the value to be on the order of 10^{10} seconds. A new experiment is proposed at the European Spallation Source that has 1000 times the sensitivity of the previous experiment, and would confirm the viability of those beyond Standard Model theories.

研究の動機と目的

• バリオン数不変性の破れを、中性子-反中性子振動の観測によって初めて実験的に証明すること。
• 電弱相転移エネルギーよりも低いエネルギーでΔB = 2過程を要する、スフェラロン以降のバリオン生成理論モデルを検証すること。
• 前回のILL実験と比較して1000倍高い感度を達成し、10^10秒程度の振動時間の検出を可能とすること。
• 基礎物理学的測定に適したヨーロピアンスパリケーションソースの高強度冷中性子ビームを活用すること。
• 信号強度を最大化するために、新規の中性子光学系の開発と応用を行うこと。

提案手法

• ヨーロピアンスパリケーションソース（ESS）のパルス冷中性子ビームを用い、典型的な中性子速度は1200 m/sであり、高精度な振動測定を可能にする。
• 中性子吸収標的から約200 m離れた位置に配置された標的で中性子強度を向上させるために、楕円形フォーカスリフレクターを導入する。
• ネストドリフレクター、複数焦点を持つリブドリフレクター、ナノ粒子準鏡面リフレクターなどの先進的中性子光学技術を適用し、感度をさらに向上させる。
• CPT対称性を活用し、中性子と反中性子の質量は等しく、磁気モーメントは逆向きであると仮定することで、振動確率式 P(n(t)=n̄) ≈ (t/τ_n→n̄)^2 を使用できる。
• 信号対雑音比を最大化するため、シミュレーションを用いて実験設定を最適化する。
• 3～5年間の運転期間を設け、感度スケーリングに十分な統計的データを蓄積する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 前回のILL実験と比較して1000倍高い感度を達成し、中性子-反中性子振動を観測できるか？
• RQ2 観測された振動時間τ_n→n̄は、ΔB = 2過程を予測する標準模型理論を越える理論を支持するか？
• RQ3 楕円形およびネストドリフレクターなどの先進的中性子光学系が、標的での冷中性子フラックスを顕著に向上させられるか？
• RQ4 ESSの中性子源と最適化された光学系を用いて、バリオン数不変性の破れを検出する最大感度はどの程度達成可能か？
• RQ5 磁場効果とCPT対称性の制約が、提案された装置における振動事象検出にどのように影響するか？

主な発見

• NNbar実験は、前回のILL実験と比較して1000倍高い感度を達成するように設計されており、10^10秒程度の振動時間の検出が可能となる。
• 理論的モデルでは、中性子-反中性子振動時間は10^10秒程度であると予測されており、本新実験はその感度に達している。
• シミュレーションにより、楕円形リフレクターの概念が、中性子源から標的への冷中性子輸送効率を向上させ、信号強度を顕著に増加させることを確認した。
• ネストドリフレクター、複数焦点を持つリブドリフレクター、ナノ粒子準鏡面リフレクターは、さらに感度と標的での中性子フラックスを向上させると予測されている。
• 本実験は、バリオン数不変性の破れに対する最初の直接的実験的証明を提供すると予想され、サハロフのバリオン生成のための3条件の1つを満たす。
• 3～5年間の運転により、振動時間の上限を10^10秒まで探査可能となり、現在の実験的限界と理論的予測との間のギャップを埋める。