[논문 리뷰] Measurement of the solar neutrino capture rate with gallium metal, Part III

J. N. Abdurashitov, В. Н. Гаврин외 17명|arXiv (Cornell University)|2009. 01. 15.

Neutrino Physics Research인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 SAGE 실험에서 금속성 갈륨에서 태양 중성미자 포착률을 측정한 결과를 보고하며, 233 keV 이상의 중성미자에 대해 65.4 (+3.1/-3.0) stat (+2.6/-2.8) syst SNU를 측정하였다. SAGE, Gallex, GNO의 병합 결과는 66.1 ± 3.1 SNU이며, 중성미자 진동을 고려하고 71Ge의 낮은 에너지 준위의(excited) 상태에 대한 단면적을 0으로 가정할 경우 표준 태양 모델과 일치한다.

ABSTRACT

The Russian-American experiment SAGE began to measure the solar neutrino capture rate with a target of gallium metal in Dec. 1989. Measurements have continued with only a few brief interruptions since that time. We give here the experimental improvements in SAGE since its last published data summary in Dec. 2001. Assuming the solar neutrino production rate was constant during the period of data collection, combined analysis of 168 extractions through Dec. 2007 gives a capture rate of solar neutrinos with energy more than 233 keV of 65.4 (+3.1)(-3.0) (stat) (+2.6)(-2.8) (syst) SNU. The weighted average of the results of all three Ga solar neutrino experiments, SAGE, Gallex, and GNO, is now 66.1 +/- 3.1 SNU, where statistical and systematic uncertainties have been combined in quadrature. During the recent period of data collection a new test of SAGE was made with a reactor-produced 37Ar neutrino source. The ratio of observed to calculated rates in this experiment, combined with the measured rates in the three prior 51Cr neutrino-source experiments with Ga, is 0.87 +/- 0.05. A probable explanation for this low result is that the cross section for neutrino capture by the two lowest-lying excited states in 71Ge has been overestimated. If we assume these cross sections are zero, then the standard solar model including neutrino oscillations predicts a total capture rate in Ga in the range of 63-66 SNU with an uncertainty of about 4%, in good agreement with experiment. We derive the current value of the neutrino flux produced in the Sun by the proton-proton fusion reaction to be (6.0 +/- 0.8) x 10^(10)/(cm^2 s), which agrees well with the pp flux predicted by the standard solar model. Finally, we show that the data are consistent with the assumption that the solar neutrino production rate is constant in time.

연구 동기 및 목표

• SAGE 실험을 사용하여 금속성 갈륨에서 태양 중성미자 포착률을 향상된 정밀도로 측정하기.
• 1989년에서 2007년까지의 장기 데이터를 이용하여 태양 중성미자 생성률이 시간에 따라 일정한지 테스트하기.
• reactor 및 방사성 동위원소 중성미자 원천을 사용하여 측정된 포착률과 예측된 포착률 간의 괴리 여부 평가하기.
• 71Ge의 준위 상태에 대한 중성미자 포착 단면적의 영향이 관측된 포착률을 설명하는 데 어떤 역할을 하는지 평가하기.
• 태양의 pp-중성미자 플럭스를 측정하고 표준 태양 모델 예측과 비교하기.

제안 방법

• Baksan Underground Neutrino Observatory에서 57톤의 금속성 갈륨 표적을 사용하여 장기적인 중성미자 포착 측정을 수행하였다.
• 1989년 12월부터 2007년 12월까지 168회의 71Ge 갈륨에서의 추출을 수행하여 중성미자 포착 사건을 측정하였다.
• 반응로에서 생성한 37Ar 중성미자 원천을 사용하여 SAGE 검출기 반응을 테스트하고, 관측된 포착률과 계산된 포착률을 비교하였다.
• 통계적 및 체계적 불확도를 병합하여 SAGE, Gallex, GNO의 세 가지 Ga 기반 태양 중성미자 실험 데이터를 가중 평균으로 통합하였다.
• 태양 내 중성미자 진동 모델을 적용하였으며, 71Ge의 두 낮은 에너지 준위 상태에 대한 포착 단면적을 0으로 가정하여 괴리를 해결하였다.
• 측정된 포착률을 사용하여 태양의 pp-중성미자 플럭스를 계산하고, 표준 태양 모델 예측과 비교하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 233 keV 이상의 에너지를 가진 중성미자에 대해 금속성 갈륨에서 측정된 태양 중성미자 포착률은 얼마인가요?
• RQ2 1989년에서 2007년까지 18년 간의 데이터 수집 기간 동안 태양 중성미자 생성률은 일정합니까?
• RQ3 37Ar 및 51Cr 중성미자 원천을 사용할 경우, 관측된 포착률이 표준 태양 모델 예측보다 낮은 이유는 무엇입니까?
• RQ4 71Ge의 두 낮은 에너지 준위 상태에 대한 중성미자 포착 단면적의 영향은 전체 포착률에 어떤 영향을 미치나요?
• RQ5 측정된 pp-중성미자 플럭스는 표준 태양 모델 예측과 어떻게 비교되나요?

주요 결과

• 233 keV 이상의 에너지를 가진 중성미자에 대해 갈륨에서 태양 중성미자 포착률은 65.4 (+3.1/-3.0) stat (+2.6/-2.8) syst SNU로 측정되었다.
• SAGE, Gallex, GNO 결과의 가중 평균은 66.1 ± 3.1 SNU이며, 불확도는 제곱합으로 병합되었다.
• 37Ar 시험에서 관측된 포착률과 계산된 포착률의 비율은 0.87 ± 0.05이며, 이는 71Ge의 낮은 에너지 준위 상태에 대한 단면적이 과대평가되었음을 시사한다.
• 이러한 준위 상태에 대한 단면적을 0으로 가정할 경우, 중성미자 진동을 고려한 표준 태양 모델은 63–66 SNU의 포착률을 예측하며, 이는 데이터와 양호한 일치를 보인다.
• 측정된 pp-중성미자 플럭스는 (6.0 ± 0.8) × 10^10 per cm² per second이며, 표준 태양 모델 예측과 일치한다.
• 데이터는 태양 중성미자 생성률에 유의미한 시간 변화가 없음을 보이며, 관측 기간 동안 일정한 플럭스라는 가정을 지지한다.