[論文レビュー] The OscSNS White Paper

M. Elnimr, G.B. Mills+26 more|arXiv (Cornell University)|Jul 26, 2013

Neutrino Physics Research参考文献 5被引用数 18

ひとこと要約

このホワイトペーパーは、オールドリッジ国立研究所のスパリケーション中性子源（SNS）を用いて、~1 eV/c²の質量を有するステアイル中性子の決定的探索を提案する。SNSの強力な中性子ビームを活用することで、短基準長スケールの中性子振動を調査する。本研究では、LSNDおよびMiniBooNEの異常から、質量が~1 eV/c²の中性子のステアイル状態の存在に関する実験的証拠が増大していることを強調し、出現と消失のデータの間にある矛盾を解消するのに、SNSが極めて適した施設であると位置づけている。

ABSTRACT

There exists a need to address and resolve the growing evidence for short-baseline neutrino oscillations and the possible existence of sterile neutrinos. Such non-standard particles require a mass of $\sim 1$ eV/c$^2$, far above the mass scale associated with active neutrinos, and were first invoked to explain the LSND $\bar u_\mu ightarrow \bar u_e$ appearance signal. More recently, the MiniBooNE experiment has reported a $2.8 \sigma$ excess of events in antineutrino mode consistent with neutrino oscillations and with the LSND antineutrino appearance signal. MiniBooNE also observed a $3.4 \sigma$ excess of events in their neutrino mode data. Lower than expected neutrino-induced event rates using calibrated radioactive sources and nuclear reactors can also be explained by the existence of sterile neutrinos. Fits to the world's neutrino and antineutrino data are consistent with sterile neutrinos at this $\sim 1$ eV/c$^2$ mass scale, although there is some tension between measurements from disappearance and appearance experiments. In addition to resolving this potential major extension of the Standard Model, the existence of sterile neutrinos will impact design and planning for all future neutrino experiments. It should be an extremely high priority to conclusively establish if such unexpected light sterile neutrinos exist. The Spallation Neutron Source (SNS) at Oak Ridge National Laboratory, built to usher in a new era in neutron research, provides a unique opportunity for US science to perform a definitive world-class search for sterile neutrinos.

研究の動機と目的

• 短基準長スケールの中性子振動の増大する実験的証拠および~1 eV/c²の質量を有するステアイル中性子の可能性の存在を扱う。
• 中性子実験における出現と消失の測定結果の間にある矛盾を解消する。
• ステアイル中性子の存在または非存在を、高い優先順位の科学的目標として確立する。
• オールドリッジ国立研究所のスパリケーション中性子源（SNS）を、決定的な探索にふさわしい世界的水準の施設として活用する。
• ステアイル中性子が標準模型拡張における役割を明確にすることで、将来の中性子実験の設計を導く。

提案手法

• SNSの高強度中性子ビームを用いて、制御された流量の中性子と反中性子を生成する。
• 短基準長スケールの設定において、中性子および反中性子の消失と出現を高精度で測定する。
• 特に~1 eV/c²の質量範囲において、ステアイル状態への振動を特定するための高度な検出技術を適用する。
• 標準的3種類の中性子モデルの予測と観測されたイベントレートを比較し、ずれを検出する。
• 校正済み放射性核種源および原子炉データを用いて結果を相互に検証し、ステアイル中性子パラメータを制約する。
• LSND、MiniBooNEおよび原子炉実験のデータを統合し、グローバルな中性子振動パラメータをフィットする。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 MiniBooNEの反中性子モードで観測された2.8σの過剰は、ステアイル中性子振動の証拠を示唆するか？
• RQ2 SNS実験は、短基準長スケールの異常を説明するステアイル中性子振動と他の新しい物理的説明とを区別できるか？
• RQ3 出現と消失の実験から導かれるステアイル中性子パラメータは、どの程度一貫性があるか？
• RQ4 原子炉および校正済み源の測定は、ステアイル中性子の存在をどの程度制限するか？
• RQ5 SNS施設は、ステアイル中性子振動への感受性を最大限に高めるために、どのように最適化できるか？

主な発見

• LSND実験は、$\bar{u}_\mu \rightarrow \bar{u}_e$の出現信号を観測し、ステアイル中性子振動と整合的である。
• MiniBooNEは、反中性子モードで2.8σの過剰、中性子モードで3.4σの過剰を報告し、両者ともステアイル中性子振動と整合的である。
• 校正済み源および原子炉からの予想より低いイベントレートは、ステアイル中性子混合によって説明可能である。
• 中性子および反中性子データへのグローバルフィットは、~1 eV/c²の質量スケールでステアイル中性子と整合的である。
• 消失と出現の実験結果の間に矛盾が存在し、決定的テストの必要性を示唆している。
• SNSは、ステアイル中性子の決定的で世界的水準の探索にふさわしい施設として特定されている。