[논문 리뷰] Nuclear and Particle Conspiracy Solves Both Reactor Antineutrino Anomalies

Jeffrey M. Berryman, Vedran Brdar외 1명|arXiv (Cornell University)|2018. 03. 22.

Neutrino Physics Research인용 수 3

한 줄 요약

논문은 탄소-13에서 비표준 상호작용을 유도하는 아벨 게이지 대칭을 가진 무색 중성자모형을 제안하며, 이는 유기 scintillator 검출기에서 4.4 MeV 광자와 중성자 유도 프로톤 리코일을 생성하여 5 MeV 반중성자자 사건을 모방한다. 이 메커니즘은 동시에 반응기 반중성자자 이상 현상과 5 MeV 사건 과잉 현상을 설명한다.

ABSTRACT

We address the 5 MeV event excess in the measured antineutrino spectrum from nuclear reactors in a beyond the Standard model framework, a challenge which has not been met to date. We employ nonstandard neutrino interactions with baryons that can induce the reaction $^{13}$C$(\overline{ u}, \overline{ u}^\prime n)^{12}$C$^*$ in organic scintillator detectors. The de-excitation of $^{12}$C$^*$ yields a prompt $4.4$ MeV photon, while the thermalization of the product neutron causes proton recoils, which in turn yield an additional prompt energy contribution with finite width such that this process can mimic neutrinos at around 5 MeV energy. We find that the minimal viable model that could induce this reaction involves a sterile neutrino charged under an Abelian symmetry group. Such sterile neutrinos can simultaneously explain the discrepancy between the measured and predicted antineutrino fluxes at short-baseline reactor experiments.

연구 동기 및 목표

• 장기간 지속된 반응기 반중성자자 이상 현상과 반응기 실험에서 관측된 5 MeV 사건 과잉 현상을 해결하기 위해.
• 두 이상 현상을 하나의 이론적 프레임워크 내에서 설명할 수 있는 표준모형을 초월한 메커니즘을 규명하기 위해.
• 바리온과의 비표준 중성자 상호작용을 매개하기 위해 아벨 대칭에 따라 전하를 띠는 무색 중성자를 포함하는 최소한의 타당 모형을 제안하기 위해.
• $^{13}$C$(\overline{u}, \overline{u}'n)^{12}$C$^*$ 탈-excited 상태에서의 신호가 유기 scintillator에서 5 MeV 반중성자자 사건을 모의할 수 있음을 입증하기 위해.
• 동일한 메커니즘이 단기 기반 반응기 실험에서 예측된 반중성자자 유량과 측정된 유량 간의 격차를 설명할 수 있음을 보여주기 위해.

제안 방법

• 유기 scintillator 검출기 내에서 바리온과의 비표준 중성자 상호작용을 매개하기 위해 아벨 게이지 대칭에 따라 전하를 띠는 무색 중성자를 도입하기 위해.
• 반응 $^{13}$C$(\overline{u}, \overline{u}'n)^{12}$C$^*$ 를 모델링하며, 여기서 $^{12}$C$^*$ 상태는 4.4 MeV 감마 방출을 통해 붕괴된다.
• 열화된 중성자가 프로톤 리코일을 유도하는 열화 효과를 포함하여 유한한 너비를 가진 즉각적인 에너지 기록을 기여한다.
• 실험 데이터와 비교하기 위해 결과 신호의 효과적 단면적과 에너지 스펙트럼을 계산하기 위해.
• 기존 단기 기반 반응기 반중성자자 유량 측정 결과와 모델의 호환성을 평가하기 위해.
• 두 이상 현상을 동시에 설명할 수 있는 최소한의 무색 중성자 모형 매개변수 공간을 결정하기 위해.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 한 개의 표준모형을 초월한 메커니즘이 5 MeV 사건 과잉 현상과 반응기 반중성자자 유량 이상 현상을 동시에 설명할 수 있는가?
• RQ2 어떤 유형의 무색 중성자 상호작용이 유기 scintillator에서 5 MeV 반중성자자를 모의할 수 있는 검출 가능한 신호를 생성할 수 있는가?
• RQ3 비표준 중성자 상호작용이 $^{13}$C에 기여하여 유한한 너비를 가진 즉각적인 에너지 기록을 만들어내어 반중성자자 사건을 유사하게 만드는가?
• RQ4 두 이상 현상을 설명할 수 있는 최소한의 타당 모형은 아벨 대칭을 포함한 어떤 형태인가?
• RQ5 이 메커니즘이 단기 기반 반응기 실험에서 예측된 반중성자자 유량과 측정된 유량 간의 격차를 어느 정도까지 보완할 수 있는가?

주요 결과

• 반응 $^{13}$C$(\overline{u}, \overline{u}'n)^{12}$C$^*$ 는 4.4 MeV 감마 붕괴와 중성자 유도 프로톤 리코일을 생성하여 유한한 너비를 가진 즉각적인 신호를 생성한다.
• 감마와 프로톤 리코일의 병합된 에너지 기록은 5 MeV 부근에서 피크를 이룬 반중성자자 사건을 모의할 수 있다.
• 아벨 대칭군에 따라 전하를 띠는 무색 중성자는 이 과정을 매개하기 위한 최소한의 타당 모형을 제공한다.
• 모델은 동시에 5 MeV 사건 과잉 현상과 단기 기반 반응기에서의 예측된 유량과 측정된 유량 간의 격차를 설명한다.
• 비표준 상호작용 메커니즘은 현재의 반중성자자 스펙트럼과 유량에 대한 실험 제약 조건과 일치한다.
• 제안된 메커니즘은 반응기 중성자물리학에서 오랫동안 지속된 두 가지 이상 현상에 대한 통합된 설명을 제공한다.