[논문 리뷰] Neutron lifetime, dark matter and search for sterile neutrino

A. П. Серебров, R. M. Samoilov외 2명|arXiv (Cornell University)|2018. 02. 17.

Atomic and Subatomic Physics Research참고 문헌 16인용 수 9

한 줄 요약

이 논문은 중성자 수명 이질현상과 반응로 역중성자 이질현상이 모두 중성자에서 어둠운 물질 중성자 상태로의 진동(n → n′)에 의해 설명될 수 있다고 제안한다. 여기서 n′은 중성자 질량보다 약 3 MeV 낮은 질량을 가진 비활성 유사 어둠운 물질 상태이다. 이 모델은 질량 차이 mₙ − mₙ′ ≈ 3 MeV를 예측하지만, 분열 조각의 동위원소 수율 분석은 3 MeV 이상의 값을 배제하며, 결과적으로 mₙ − mₙ′ ≤ 2 MeV 만이 타당한 것으로 남는다.

ABSTRACT

A review is focused on experimental measurements on neutron lifetime. The latest measurements with a gravitational trap (PNPI NRC KI) and a magnetic trap (LANL, USA) confirmed PNPI result of 2005. The results of measurements with storage of ultra cold neutrons are in agreement, yet, there is discrepancy with a beam experiment by $3.5σ$ (1% of decay probability), which is discussed in literature as "neutron anomaly" along with the ideas of explaining it by decay into dark matter partially. The second part of the paper is devoted to so called "reactor antineutrino anomaly", which refers to deficiency of the measured flux of antineutrino from reactor in respect to the calculated flux by $3σ$(deviation by 6.6%). Specific feature of the proposal in this paper lies in the fact that both anomalies can be accounted for by one and the same phenomenon of oscillation in baryon sector between a neutron and a neutron of dark matter $n{ ightarrow}n'$ with mass $m_{n'}$, somewhat less than mass $m_n$ of an ordinary neutron. Calculations of the proposed model require one free parameter: mass difference $m_n-m_{n'}$ if one normalizes probability of oscillations for a free neutron on "neutron anomaly" 1%, then, having succeeded to interpret 6.6% of neutron anomaly in calculations, one can determine mass difference. According to preliminary estimations, the mass difference is $m_n-m_{n'}{\approx}$ 3 MeV. However, the analysis of cumulative yields of isotopes occurs in fission fragments was performed and it does not confirm possibility of existence of additional decay channel with emission of dark matter neutron with mass difference $m_n-m_{n'}{\approx}$ 3 MeV. The result of the analysis is the conclusion that for mirror neutrons the region of the mass difference $m_n-m_{n'} {\geq}$ 3 MeV is closed. The region of the mass difference $m_n-m_{n'}{\leq}$ 2 MeV turned out to be not closed.

연구 동기 및 목표

• 포획된 초냉각 중성자와 비임의 방법을 사용한 중성자 수명 측정 간의 불일치, 즉 '중성자 이질현상'을 해결하기 위해.
• 이론적 예측에 비해 6.6%의 부족한 반응로 역중성자 플럭스를 관측한 것, 즉 '반응로 역중성자 이질현상'을 설명하기 위해.
• 일반 중성자와 어둠의 물질 중성자 상태 간의 진동(n → n′)을 포함하는 단일 이론적 프레임워크 안에서 두 이질현상을 통합하기 위해.
• 분열 조각의 수율 실험 데이터를 사용하여 일반 중성자와 어둠의 물질 중성자 간의 질량 차이를 제약하기 위해.

제안 방법

• 일반 중성자(n)가 질량 mₙ′ < mₙ 인 어둠의 물질 중성자 상태(n′)로 전환되는 바리온 세그먼트 진동 모델을 제안한다.
• 3.5σ 수준의 중성자 수명 측정 불일치(1%)를 이용해 진동 확률을 캘리브레이션하기 위한 정규화 조건으로 활용한다.
• 동일한 진동 모델을 사용하여 반응로 역중성자 플럭스의 6.6% 부족 현상도 설명한다. 이 경우 동일한 질량 차이 mₙ − mₙ′ 를 가정한다.
• 핵 반응로에서의 분열 조각 누적 수율을 분석하여 n′ 방출을 포함하는 추가적인 붕괴 채널 존재 여부를 시험한다.
• 진동 모델 하에서 예측된 동위원소 수율을 실험 데이터와 비교하여 mₙ − mₙ′ 를 제약한다.
• 분열 수율 데이터에서 관측된 이질성이 없음을 바탕으로 질량 차이 ≥3 MeV 인 경우를 배제한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 포획 실험과 비임의 실험 간의 3.5σ 수준 불일치로 나타나는 중성자 수명 이질현상은 어둠의 물질 중성자 상태로의 진동에 의해 설명될 수 있는가?
• RQ2 6.6%의 플럭스 부족으로 특징지어지는 반응로 역중성자 이질현상은 동일한 진동 메커니즘으로 설명될 수 있는가?
• RQ3 실험 제약 조건과 일치하는 일반 중성자와 어둠의 물질 중성자 간의 최대 允許 질량 차이 mₙ − mₙ′ 는 얼마인가?
• RQ4 핵 반응로에서 관측된 분열 조각 수율은 mₙ − mₙ′ ≈ 3 MeV 인 중성자에서 어둠의 물질 중성자로의 진동 채널 존재 여부를 지지하는가, 아니면 배제하는가?
• RQ5 모든 가용한 실험 데이터와 일치하는 mₙ − mₙ′ 의 상한은 얼마인가?

주요 결과

• 모델은 일반 중성자와 어둠의 물질 중성자 상태(n′) 사이의 질량 차이가 약 3 MeV임을 예측하며, 이는 중성자 수명 측정 불일치(1%)와 일치한다.
• 동일한 진동 모델은 반응로 역중성자 플럭스의 6.6% 부족 현상도 성공적으로 설명하며, 두 이질현상을 동일한 메커니즘으로 연결한다.
• 분열 조각의 누적 수율 분석 결과, mₙ − mₙ′ ≥ 3 MeV 인 붕괴 채널 존재는 배제된다.
• mₙ − mₙ′ ≤ 2 MeV 영역는 실험적 이질성이 관측되지 않았기에 타당한 것으로 남는다.
• 두 이질현상 모두에 대한 모델의 일관성은 질량 차이가 3 MeV 이하일 경우에만 유지되며, 이 상한은 분열 데이터에 의해 제약된다.