[논문 리뷰] Measurements of the reactions C-12 (muon-neutrino, mu-) N-12 (g.s.) and C-12 (muon-neutrino, mu-) X

C. Athanassopoulos, W. Metcalf외 35명|arXiv (Cornell University)|1997. 05. 23.

Particle physics theoretical and experimental studies인용 수 35

한 줄 요약

이 연구는 로스 앨라모스에서의 μ-뉴트리노 비임을 이용하여 ¹²C에서의 전하를 띤 뉴트리노 산란을 측정한다. 배제된 반응 ¹²C(ν_μ, μ⁻)¹²N(g.s.)는 (6.6 ± 1.0 ± 1.0) × 10⁻⁴¹ cm²의 조도 평균 단면적을 나타내며, 이는 이론과 일치한다. 반면, 모든 ¹²N 상태로의 포함 단면적은 (11.2 ± 0.3 ± 1.8) × 10⁻⁴⁰ cm²이며, 이는 CRPA 예측값의 약 절반이다.

ABSTRACT

Charged current scattering of nu_mu on 12C has been studied using a pi+ decay-in-flight nu_mu beam at the Los Alamos Meson Physics Facility. A sample of 56.8 +- 9.6 events satisfying criteria for the exclusive reaction 12C + nu_mu -> mu- + 12N_g.s. was obtained using the large Liquid Scintillator Neutrino Detector (LSND). The observed flux-averaged cross section, (6.6 +- 1.0 +- 1.0) x 10^-41 cm^2, agrees well with reliable theoretical expectations. A measurement was also obtained for the inclusive cross section to all accessible 12N states, 12C + nu_\mu -> mu- + X. This flux-averaged cross section is (11.2 +- 0.3 +- 1.8)x 10^-40 cm^2, which is approximately half of that given by a recent Continuum Random Phase Approximation (CRPA) calculation.

연구 동기 및 목표

• μ-뉴트리노 비임을 이용하여 ¹²C(ν_μ, μ⁻)¹²N(g.s.)의 배제된 전하를 띤 반응을 측정하기 위해.
• 모든 ¹²N 최종 상태로의 ¹²C(ν_μ, μ⁻)X에 대한 포함 단면적을 결정하기 위해.
• 측정된 단면적을 이론적 예측, 특히 연속 무작위 위상 근사(CRPA)와 비교하기 위해.
• 이론적 모델이 탄소에서의 뉴트리노-핵 상호작용을 기술하는 데 있어 신뢰성 있는지를 평가하기 위해.
• reactor 및 가속기 뉴트리노 물리학에 관련된 뉴트리노 단면적에 대한 정밀한 실험 데이터를 제공하기 위해.

제안 방법

• 로스 앨라모스 메손 물리학 시설에서 집중된 μ-뉴트리노 비임을 생성하기 위해 π⁺의 비행 중 붕괴를 이용하였다.
• 출구 뉴트리노를 검출하고 배제된 ¹²N 기저 상태 사건을 식별하기 위해 대형 액체 스코린티레이터 뉴트리노 검출기(LSND)를 사용하였다.
• 배경 및 비탄성 과정으로부터 배제 반응 ¹²C + ν_μ → μ⁻ + ¹²N(g.s.)를 분리하기 위해 사례 선택 기준을 적용하였다.
• 모든 최종 상태에 뮤온이 포함되고, ¹²N의 모든 진동 상태 또는 잔류 핵이 포함된 경우를 합산하여 포함 단면적을 측정하였다.
• 검출기 응답 및 비임 조도 측정을 이용하여 조도 평균 단면적을 계산하였다.
• 최종 단면적 값을 보고하기 위해 통계적 및 체계적 불확실성을 포함한 오차 전파를 수행하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 배제된 ¹²C(ν_μ, μ⁻)¹²N(g.s.) 반응에 대한 측정된 조도 평균 단면적은 무엇인가요?
• RQ2 ¹²C(ν_μ, μ⁻)X에 대한 포함 단면적은 이론적 예측, 특히 CRPA 모델과 어떻게 비교되나요?
• RQ3 측정된 배제 단면적이 신뢰할 수 있는 이론적 기대와 어느 정도 일치합니까?
• RQ4 측정된 포함 단면적과 CRPA 계산 간의 괴리의 의미는 무엇입니까?
• RQ5 LSND 검출기의 능력은 ¹²C에서의 뉴트리노-핵 산란 측정을 정밀하게 가능하게 하는가요?

주요 결과

• 배제 반응 ¹²C(ν_μ, μ⁻)¹²N(g.s.)에 대한 조도 평균 단면적은 (6.6 ± 1.0 ± 1.0) × 10⁻⁴¹ cm²로 측정되었다.
• 이 배제 단면적은 신뢰할 수 있는 이론적 기대와 양호한 일치를 보였다.
• 모든 ¹²N 최종 상태로의 포함 단면적은 (11.2 ± 0.3 ± 1.8) × 10⁻⁴⁰ cm²로 측정되었다.
• 측정된 포함 단면적은 연속 무작위 위상 근사(CRPA) 모델이 예측한 값의 약 절반에 불과하다.
• 결과는 뉴트리노-핵 산란에서 이론적 모델의 실험적 검증의 중요성을 보여준다.
• 이 데이터는 특히 반응로 및 가속기 뉴트리노 실험에서 경량 핵에서의 뉴트리노 상호작용 연구를 위한 기준이 된다.