[논문 리뷰] Investigation of antineutrino spectral anomaly with updated nuclear database

Xubo Ma, Le Yang외 3명|arXiv (Cornell University)|2018. 07. 21.

Advanced NMR Techniques and Applications인용 수 4

한 줄 요약

이 연구는 JENDL/DDF-2015와 JEFF3.1.1 데이터를 조합한 업데이트된 핵구조 데이터베이스 및 ENDF/B-VII.1 분열 수율을 사용하여 반응로 반신입자 스펙트럼 이상 현상을 재계산함으로써, 5–7 MeV 스펙트럼 볼록부를 235U, 238U, 239Pu, 241Pu 동위원소 기여로 잘 설명할 수 있음을 밝혀냈다. 이는 강한 분열 수율 상관관계(r > 0.85, 239Pu와 241Pu 간 최대 0.96)를 보이며, 이상 현상의 원인이 원래의 베타스펙트럼 측정 오차 또는 베타에서 반신입자로의 변환 과정의 불확실성일 수 있음을 시사한다.

ABSTRACT

Recently, three successful antineutrino experiments (Daya Bay, Double Chooz, and RENO) measured the neutrino mixing angle theta_13; however, significant discrepancies were found, both in the absolute flux and spectral shape. In this study, the antineutrino spectra were calculated by using the updated nuclear database, and we found that the four isotopes antineutrino spectrum have all contribution to the 5--7 MeV bump with ENDF/B-VII.1 fission yield. The bump can be explained well using the updated library and more important isotopes contribution to the bump were also given. In the last, the fission yield correlation coefficient between the four isotopes were discussed, and found that the correlation coefficients are very large.

연구 동기 및 목표

• 반응로 실험에서 관측된 5–7 MeV 반신입자 스펙트럼 볼凸부의 기원을 조사하기 위해.
• 반응로 반신입자 이상 현상이 원래의 베타스펙트럼 측정 오차 또는 베타에서 반신입자로의 변환 과정의 오차에서 기인하는지 평가하기 위해.
• 업데이트된 핵구조 데이터와 분열 수율 라이브러리가 반신입자 스펙트럼 예측에 미치는 영향을 평가하기 위해.
• 개별 동위원소(235U, 238U, 239Pu, 241Pu)가 스펙트럼 볼凸부에 기여하는 정도를 정량화하기 위해.
• 네 가지 주요 동위원소 간의 분열 수율 상관관계를 분석하여 이들이 이상 현상에 미치는 통합적 영향을 평가하기 위해.

제안 방법

• JENDL/DDF-2015와 JEFF3.1.1를 통합한 업데이트된 핵기반 데이터베이스에서 얻은 누적 분열 수율과 베타 붕괴 파ameters를 사용하여 반신입자 스펙트럼을 고전적 방법으로 계산함.
• 수식 $ S(E_{\bar{\nu}}) = \sum_{i=1}^{N} Y_i \sum_{j=1}^{M} f_{ij} S_{ij}(E_{\bar{\nu}}) $ 를 사용함. 여기서 $ Y_i $ 는 누적 분열 수율이고, $ S_{ij}(E_{\bar{\nu}}) $ 는 단일 전이에 대한 반신입자 스펙트럼임.
• 베타 붕괴 스펙트럼 모델에서 $ \delta(E_e, Z, A) $ 를 통해 복사, 유한 크기, 약한 자화 효과 보정을 통합함.
• ENDF/B-VII.1, JEFF3.1.1, JENDL4.0 분열 수율 라이브러리를 사용하여 Huber-Mueller 모델 및 Daya Bay 실험 데이터와 결과를 비교함.
• 235U, 238U, 239Pu, 241Pu 간의 분열 수율 상관계수를 계산하여 상호의존성 평가함.
• Daya Bay의 측정된 분열 분율(235U: 58.6%, 238U: 7.6%, 239Pu: 28.8%, 241Pu: 5.0%)을 사용하여 비교를 위한 평균 반신입자 스펙트럼을 계산함.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 업데이트된 핵기반 데이터베이스가 Daya Bay, Double Chooz, RENO 실험에서 관측된 5–7 MeV 반신입자 스펙트럼 볼凸부를 해결할 수 있는가?
• RQ2 네 가지 주요 동위원소 중에서(235U, 238U, 239Pu, 241Pu) 스펙트럼 볼凸부에 가장 크게 기여하는 것은 무엇인가?
• RQ3 네 동위원소 간의 분열 수율 상관관계가 반신입자 이상 현상 해석에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 베타스펙트럼 측정 오차 또는 베타에서 반신입자로의 변환 과정의 오차가 관측된 스펙트럼 이상 현상의 원인으로서 어느 정도 기여하는가?
• RQ5 왜 Daya Bay 데이터와 업데이트된 고전적 계산 결과의 스펙트럼 비율은 5–7 MeV 영역에서 볼凸부를 보이지만, Huber-Mueller 모델과의 비율은 그렇지 않은가?

주요 결과

• 5–7 MeV 반신입자 스펙트럼 볼凸부는 업데이트된 핵기반 데이터베이스를 통해 잘 설명되며, 235U, 238U, 239Pu, 241Pu 모두의 기여로 발생한다.
• 각 동위원소의 볼凸부 기여도는 2.4%를 초과하며, 239Pu와 241Pu가 가장 높은 개별 기여를 보인다.
• 동위원소 간 분열 수율 상관계수는 매우 높으며, 239Pu와 241Pu 간 최고 상관계수(0.96)를 기록했고, 대부분의 상관계수는 0.85를 초과한다.
• Daya Bay 데이터와 고전적 계산 결과의 스펙트럼 비율은 5–7 MeV 영역에서 볼凸부를 보이며, Huber-Mueller 모델과의 비율은 그렇지 않아 데이터와의 일치도가 향상됨을 시사한다.
• 업데이트된 데이터베이스를 사용할 경우 Daya Bay 데이터와 Huber-Mueller 모델 간의 격리가 감소하여, 이상 현상의 원인이 원래의 집합적 베타스펙트럼 측정 오차 또는 ILL에서의 베타에서 반신입자로의 변환 과정의 불확실성일 수 있음을 시사한다.
• 이 연구는 반신입자 이상 현상과 5 MeV 볼凸부가 모두 원래의 집합적 베타스펙트럼 측정 오차 또는 베타에서 반신입자로의 변환 과정의 불확실성에서 기인할 수 있다고 결론 내린다.