[論文レビュー] Upper limit on the cross section for reactor antineutrinos changing 22Na decay rates

R.J. de Meijer, Steph Steyn|arXiv (Cornell University)|Sep 23, 2014

Radioactive Decay and Measurement Techniques参考文献 14被引用数 4

ひとこと要約

本研究では、コエブルク原子力発電所の近くで長期間にわたる測定を実施し、22Naの崩壊率に及ぼす反ニュートリノの影響を調査している。一致和分法を用いて、発電炉稼働時と停止時の相対的計数率変化が（-0.51±0.11）×10⁻⁴であることを観測し、22Na崩壊に影響を与える反ニュートリノ反応断面積の上限は約0.03バーンであると導かれた。

ABSTRACT

In this paper we present results of a long-term observation of the decay of 22Na in the presence of a nuclear fission reactor. The measurements were made outside the containment wall of and underneath the Koeberg nuclear power plant near Cape Town, South Africa. Antineutrino fluxes ranged from ~5*10^11 to 1.6*10^13 cm^-2 s^-1 during this period. We show that the coincidence summing technique provides a sensitive tool to measure a change in the total decay constant as well as the branching ratio between EC and beta+ decay of 22Na to the first excited state in 22Ne. We observe a relative change in count rate between reactor-ON and reactor-OFF equal to (-0.51+/-0.11)*10^-4. After evaluating possible systematic uncertainties we conclude that the effect is either due to a hidden instrumental cause or due to an interaction between antineutrinos and the 22Na nucleus. An upper limit of ~0.03 barn has been deduced for observing any change in the decay rate of 22Na due to antineutrino interactions.

研究の動機と目的

• 発電炉からの反ニュートリノが、電子捕獲とベータ・プラス崩壊の両方の経路を持つ22Naの崩壊率に影響を与えるかどうかを検証すること。
• 発電炉環境において以前に報告された22Na崩壊率の異常を調査し、新物理または系統的要因の兆候を特定すること。
• 相対的計数率変動の測定を通じて、反ニュートリノ誘発による22Na崩壊率の変化に対する断面積の厳密な上限を確立すること。
• 実際の発電炉条件下での高精度な崩壊率測定における系統的不確かさを評価すること。

提案手法

• 22Na崩壊の測定は、コエブルク原子力発電所のコンテナメント壁の外側で、かつその下部に配置された場所で実施され、反ニュートリノフラックスは約5×10¹¹～1.6×10¹³ cm⁻²s⁻¹の範囲にのっていた。
• 22Naが22Neの第一励起状態に崩壊するガンマ線を同時に検出できる一致和分法が用いられ、崩壊定数および分岐比の正確な追跡が可能になった。
• 発電炉稼働時と停止時の両状態でデータ収集が行われ、反ニュートリノ誘発効果の有無を検出するための崩壊率比較が実施された。
• 相対的計数率変化に関する統計解析が実施され、機器的または物理的要因による影響を分離するために系統的不確かさが厳密に評価された。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 発電炉からの反ニュートリノが22Naの崩壊率に測定可能な変化を引き起こす可能性はあるか？
• RQ2 発電炉稼働中の22Na崩壊率の観測された相対的変化は、反ニュートリノの相互作用によるものか、あるいは機器的・系統的要因によるものか？
• RQ3 反ニュートリノ誘発による22Na崩壊率の変化を引き起こす断面積の上限は何か？
• RQ4 一致和分法は、22Naにおける崩壊定数および分岐比の微小な変化を検出するのにどの程度感度が高いか？

主な発見

• 発電炉稼働時と停止時の間で、22Naの計数率に（-0.51±0.11）×10⁻⁴の相対的変化が観測された。
• 系統的不確かさを評価した結果、観測された効果は、隠れた機器的アーティファクトまたは反ニュートリノと22Na核との潜在的相互作用に起因すると考えられる。
• 反ニュートリノ相互作用によって22Na崩壊率が変化する可能性のある断面積の上限は、おおよそ0.03バーンであると確立された。
• 一致和分法は、22Naにおける全崩壊定数および電子捕獲とベータ・プラス崩壊の間の分岐比の微小な変化を測定するのに効果的であることが示された。