[論文レビュー] White paper: CeLAND - Investigation of the reactor antineutrino anomaly with an intense 144Ce-144Pr antineutrino source in KamLAND

A. Gando, Y. Gando+58 more|arXiv (Cornell University)|Sep 26, 2013

Neutrino Physics Research被引用数 4

ひとこと要約

本論文は、KamLAND検出器に設置された75 kCiの144Ce-144Pr反ニュートリノ源を用いた短基準幅ニュートリノ振動実験、CeLANDを提案する。この実験は、原子炉反ニュートリノ異常を検証することを目的としている。逆ベータ崩壊を用いたエネルギーおよび位置依存のフラックス抑制の測定により、1.5年間で95%以上の信頼水準でステアーリルニュートリノ混合を探索可能であり、異常の全パラメータ領域を高精度かつ最小限の原子炉関連不確実性でカバーする。

ABSTRACT

We propose to test for short baseline neutrino oscillations, implied by the recent reevaluation of the reactor antineutrino flux and by anomalous results from the gallium solar neutrino detectors. The test will consist of producing a 75 kCi 144Ce - 144Pr antineutrino source to be deployed in the Kamioka Liquid Scintillator Anti-Neutrino Detector (KamLAND). KamLAND's 13m diameter target volume provides a suitable environment to measure energy and position dependence of the detected neutrino flux. A characteristic oscillation pattern would be visible for a baseline of about 10 m or less, providing a very clean signal of neutrino disappearance into a yet-unknown, "sterile" state. Such a measurement will be free of any reactor-related uncertainties. After 1.5 years of data taking the Reactor Antineutrino Anomaly parameter space will be tested at > 95% C.L.

研究の動機と目的

• 短基準幅での電子反ニュートリノの消失、特にステアーリルニュートリノ状態への振動を探索することで、原子炉反ニュートリノ異常（RAA）を検証すること。
• 実際の原子炉のフラックスに代えて、強力でよくキャリブレーションされた人工反ニュートリノ源を用いることで、原子炉関連の不確実性を排除すること。
• 特に|Δm²_new| ≥ 0.1 eV²の領域において、ステアーリルニュートリノ混合パラメータに対して高い感度を達成すること。
• ニュートリノ混合角θ₁₃の精度を向上させ、レプトン系におけるCP対称性の破れに与える影響を評価すること。
• ステアーリルニュートリノ仮説を、高い信頼性で確認するか、否定するかを決定づける決定的検証を提供すること。

提案手法

• 144Ceの崩壊（T₁/₂ = 285日）とそれに続く144Prの崩壊（T₁/₂ = 17.3分）により、最大2.996 MeVのQ値を持つ反ニュートリノを生成する75 kCiの144Ce-144Pr反ニュートリノ源を、神岡液体シンチレーション反ニュートリノ検出器（KamLAND）に設置する。
• 逆ベータ崩壊（IBD）を主な検出チャネルとし、即時ポジトロン信号と遅延した水素における中性子捕獲信号を特徴とすることで、効果的なバックグラウンド抑制を実現する。
• 10 m程度の基準幅で振動パターンを観測可能なよう、検出器中心から9.5 mの位置に源を配置する。
• βおよびガンマ線放射によるバックグラウンドを低減するため、16 cm厚のタングステン合金シールドを設置し、特に144Prの2.185 MeVガンマ線を効果的に遮断するとともに、安全な取り扱いや輸送を確保する。
• 1–1.5%の不確実性で144Ce源の絶対的活動を測定する専用のカルシメータを用意し、これはレートベースの解析にとって不可欠である。
• エネルギースペクトルの形状解析と絶対レート測定を組み合わせることで、振動パラメータへの感度を向上させる。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 原子炉反ニュートリノ異常は、短基準幅での電子反ニュートリノがステアーリルニュートリノ状態への振動によって説明可能だろうか？
• RQ2 KamLANDにおける75 kCiの144Ce-144Pr源が、原子炉反ニュートリノ異常のパラメータ領域に対してどの程度の感度を示すだろうか？
• RQ3 エネルギースペクトルの形状と絶対イベントレート測定を組み合わせることで、ステアーリルニュートリノ混合への感度はどのように向上するだろうか？
• RQ4 源の絶対的活動キャリブレーションが、測定におけるシステムティック不確実性をどの程度低減できるだろうか？
• RQ5 この測定は、θ₁₃の決定および将来のレプトン系におけるCP対称性の破れ研究にどのような影響を与えるだろうか？

主な発見

• 1.5年間のデータ取得後、CeLANDは、非振動仮説を95%以上の信頼水準で除外できる範囲で、原子炉反ニュートリノ異常の大部分のパラメータ領域を探索可能となる。
• 1.5%の源活動不確実性を仮定した場合、絶対レート情報の組み込みにより、特にΔm²_newの高い領域で感度が顕著に向上する。
• 6か月間のデータで、すでに注目領域に対する強い制限が得られ、感度の急速な向上が実証される。
• 小さな混合角に対しても優れた感度を達成し、Δm²_newが大きい領域ではsin²2θ_new ∼ 0.05が95%信頼水準で除外可能となる。
• Δm²_new ∼ 0.1 eV²の領域では、9.5 mの長い基準幅のおかげで、エネルギースペクトルにおける振動パターンの可視性が高く、高い感度が得られる。
• CeLANDの形状とレートの組み合わせ解析は、他の提案された源実験を上回る感度を達成しており、ステアーリルニュートリノの探索において、独自に強力なプローブとなる。