[논문 리뷰] De-excitation gamma-rays from the s-hole state in 15N associated with proton decay in 16O

Kiyoshi Kobayashi, H. Akimune외 22명|ArXiv.org|2006. 04. 10.

Nuclear physics research studies인용 수 4

한 줄 요약

이 연구는 수소화물 반응 16O(p,2p)15N를 통해 생성된 15N의 s-홀 상태에서의 탈-excited 감마선을 측정하며, 수중 체렌코프 검출기에서 양성자 붕괴 및 중성미자 중성전류 상호작용 탐색에 핵심적이다. Eγ > 6 MeV인 감마선 총 방출 확률은 3.1%로, 주요 6.32 MeV 감마선의 약 1/10이며, 99% 신뢰수준에서 15.1 MeV 감마선의 방출 확률에 대한 상한은 0.38%이다.

ABSTRACT

We have measured de-excitation gamma-rays from the s-hole state in 15N produced via the 16O(p,2p)15N reaction in relation to the study of the nucleon decay and the neutrino neutral-current interaction in water Cherenkov detectors. In the excitation-energy region of the s-hole state between 16 MeV and 40 MeV in 15N, the branching ratio of emitting gamma-rays with the energies at more-than-6 MeV are found to be 15.6+-1.3+0.6-1.0%. Taking into account the spectroscopic factor of the s-hole state, the total emission probability is found to be 3.1%. This is about 1/10 compared with the emission probability of the 6.32 MeV gamma-ray from the 3/2- p-hole state in 15N. Moreover, we searched for a 15.1 MeV gamma-ray from the 12C 1+ state which may be populated after the particle-decay of the s-hole state in 15N. Such a high energy gamma-ray from the hole state would provide a new method to search for mode-independent nucleon decay even if the emission probability is small. No significant signal is found within a statistical uncertainty.

연구 동기 및 목표

• 16O(p,2p)15N 반응을 통해 생성된 15N의 s-홀 상태에서의 감마선 탈-excited 확률을 측정하기 위해.
• 스퍼카미오카인드에서 p→ν̄K+ 채널을 통한 양성자 붕괴 탐색에서 배경을 감소시키는 데 s-홀 상태에서의 감마선이 유용한지 평가하기 위해.
• 모드에 의존하지 않는 양성자 붕괴 탐지 가능성을 제공할 수 있는 12C의 T=1, 1+ 상태에서의 15.1 MeV 감마선을 탐색하기 위해.
• 수중 체렌코프 검출기에서 탐지 효율 추정치를 향상시키기 위해 분광학적 인자와 방출 확률을 결정하기 위해.
• 실험 데이터와 몬테카를로 시뮬레이션을 기반으로 15.1 MeV 감마선의 방출 확률에 대한 상한을 설정하기 위해.

제안 방법

• 16O에서 16~40 MeV의 탄성 에너지 범위에서 s-홀 상태를 갖는 15N를 생성하기 위해 (p,2p) 반응을 수행하였다.
• 이중 양성자 사건과 동시성으로 감마선 탈-excited를 감지하기 위해 고해상도 감마선 분광법을 사용하였다.
• 특히 15.1 MeV 피크에 대한 기대 감마선 에너지 분포를 모델링하기 위해 몬테카를로 시뮬레이션을 적용하였다.
• 분광학적 인자를 (e,e'p) 데이터에서 유도한 바, 이를 보정하여 분지 비율과 방출 확률을 계산하였다.
• 통계적 분석을 통해 15.1 MeV 감마선의 방출 확률에 대해 99% 신뢰수준의 상한을 설정하였다.
• 이론적 예측과 이전의 추정치(예: Ejiri, Yamada)를 비교하여 일관성을 평가하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 15N의 s-홀 상태에서 Eγ > 6 MeV인 감마선의 총 방출 확률은 얼마인가요?
• RQ2 s-홀 상태에서의 감마선 방출 확률은 p-hole 상태에서의 주요 6.32 MeV 감마선과 비교해 어떻게 되나요?
• RQ3 s-hole 상태 붕괴 이후 12C의 T=1, 1+ 상태에서 15.1 MeV 감마선 신호가 감지 가능한가요?
• RQ4 99% 신뢰수준에서 15.1 MeV 감마선의 방출 확률에 대한 상한은 얼마인가요?
• RQ5 측정된 방출 확률은 양성자 붕괴 및 중성미자 실험에서 탐지 효율과 배경 감소에 어떻게 영향을 미치나요?

주요 결과

• 감지 효율을 보정한 후, 15N의 s-hole 상태에서 Eγ > 6 MeV인 감마선의 분지 비율은 15.6 ± 1.3 +0.6/-1.0%로 산정되었다.
• 분광학적 인자를 보정한 후, Eγ > 6 MeV인 감마선의 총 방출 확률은 3.1%로, 3/2− p-hole 상태에서의 6.32 MeV 감마선 방출 확률의 약 1/10이다.
• Eγ가 3~6 MeV 사이인 감마선의 방출 확률은 27.9 ± 1.5 +3.4/-2.6%로, 이 에너지 범위에서 상당한 기여를 한다는 것을 시사한다.
• 12C 1+ 상태에서의 15.1 MeV 감마선에 대해 유의미한 신호는 관측되지 않아, 99% 신뢰수준에서 방출 확률에 대한 상한이 0.38%로 설정되었다.
• 15.1 MeV 감마선의 방출 확률에 대한 이론적 예측은 약 0.007%로, 실험적 상한보다 크게 낮다.
• 4.4 MeV 감마선 방출은 뚜렷하며, 12C + t 채널에서의 트라이톤 붕괴와 일치하며, 공간 SU(3) 대칭성의 선택 규칙에 의해 지지된다.