[논문 리뷰] Preparation of the Neutrino-4 experiment on search for sterile neutrino and the obtained results of measurements

A. П. Серебров, R. M. Samoilov외 17명|arXiv (Cornell University)|2020. 05. 09.

Neutrino Physics Research참고 문헌 7인용 수 19

한 줄 요약

Neutrino-4 실험은 SM-3 원자로 중심에서 6–12 m 거리에서 반양성자기류의 유량과 에너지 스펙트럼을 측정하여, $\Delta m_{14}^2 = 7.25 \pm 0.13_{\text{st}} \pm 1.08_{\text{sys}} \, \text{eV}^2$ 및 $\sin^2 2\theta_{14} = 0.26 \pm 0.08_{\text{st}} \pm 0.05_{\text{sys}}$에서 흑색 중성자기류 진동 신호를 관측하였다. 게이아 이 anomaly 및 반양성자기류 이 anomaly 데이터와 결합하면, 4.6σ 유의수준에서 $\sin^2 2\theta_{14} \approx 0.19 \pm 0.04$를 얻으며, 흑색 중성자기류 질량이 $m_4 = 2.68 \pm 0.13 \, \text{eV}$인 3+1 중성자기류 모델을 지지한다.

ABSTRACT

The experiment Neutrino-4 had started in 2014 with a detector model and then was continued with a full-scale detector. All steps of preparatory work on this experiment are presented. Were obtained the results of measurements of reactor antineutrino flux and spectrum dependence on the distance in the range 6-12 meters from the center of the reactor core at SM-3 reactor. Using all collected data, we performed the model independent analysis on the oscillation parameters $\Delta m_{14}^2$ and $\sin^22 heta_{14}$. The method of coherent summation of results of measurements allows us to directly observe the effect of oscillations. We observed an oscillation effect in vicinity of $\Delta m_{14}^2=(7.25\pm0.13_{st}\pm1.08_{sys}) ext{eV}^2$ and $\sin^22 heta_{14}= 0.26\pm0.08_{st}\pm0.05_{sys}$. We provide a comparison of our results with results of other experiments on search for sterile neutrino. Combining the result of the Neutrino-4 and the results of measurements of the gallium anomaly and reactor anomaly we obtained value $\sin^22 heta_{14}\approx0.19 \pm 0.04 (4.6\sigma)$. Also was performed comparison of Neutrino-4 results with results of other reactor experiments NEOS, DANSS, STEREO, PROSPECT and MiniBooNE, LSND experiments and the IceCube experiment. Mass of sterile neutrino obtained from data collected in the Neutrino-4 experiment (in assumption $m_4^2\approx \Delta m_{14}^2$) is $m_4=2.68\pm0.13 ext{eV}$. Using the estimations of mixing angles obtained in other experiments and our results we can calculate, within 3+1 neutrino model, masses of electron, muon, and tau neutrinos: $m_{ u_e}^{ ext{eff}}=(0.58\pm0.09) ext{eV}, m_{ u_\mu}^{ ext{eff}}=(0.42\pm0.24) ext{eV}, m_{ u_ au}^{ ext{eff}}\leq 0.65 ext{eV}$. Extended PMNS matrix for 3+1 model with one sterile neutrino is provided, neutrino flavor mixing scheme with sterile neutrino and global fit of reactor experiments.

연구 동기 및 목표

• SM-3 원자로에서 반양성자기류 진동을 통해 흑색 중성자기류를 탐색하기 위해.
• 핵심에서 6–12 m 거리에서 반양성자기류의 에너지 스펙트럼과 유량을 측정하기 위해.
• 일관된 데이터 합산을 통해 모델에 의존하지 않는 방식으로 진동 파rameter $\Delta m_{14}^2$ 및 $\sin^2 2\theta_{14}$를 분석하기 위해.
• NEOS, DANSS, STEREO, PROSPECT, MiniBooNE, LSND, IceCube 등의 다른 실험 결과와 비교하여 3+1 중성자기류 모델과의 일관성을 평가하기 위해.
• 3+1 프레임워크 내에서 활성 중성자기류의 효과적 질량($m_{\nu_e}^{\text{eff}}, m_{\nu_\mu}^{\text{eff}}, m_{\nu_\tau}^{\text{eff}}$)을 유도하기 위해.

제안 방법

• SM-3 원자로 중심에서 6–12 m 거리에 전면적 규모의 검출기가 설치되어 반양성자기류 유량과 에너지 스펙트럼을 측정하였다.
• 측정 결과의 일관된 합산을 통해 모델 편향 없이 진동 효과를 직접 관측할 수 있었다.
• 이론적 가정을 최소화하기 위해 데이터에서 $\Delta m_{14}^2$ 및 $\sin^2 2\theta_{14}$를 추출하기 위해 모델에 의존하지 않는 분석을 적용하였다.
• 체계적 오차와 통계적 오차를 별도로 평가하여 진동 파ram터 추정의 견고성을 확보하였다.
• 글로벌 피팅을 통해 Neutrino-4 데이터를 게이아 이 anomaly 및 반양성자기류 이 anomaly 결과와 결합하여 $\sin^2 2\theta_{14}$를 정밀화하였다.
• 3+1 모델을 위해 확장된 PMNS 행렬을 구성하여, 하나의 흑색 상태를 포함한 중성자기류 성분 혼합을 기술하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 핵심에서 다양한 거리(6–12 m)에서 관측된 반양성자기류 유량과 스펙트럼은 흑색 중성자기류 상태로의 진동을 나타내는가?
• RQ2 Neutrino-4 데이터에서 유도된 모델에 의존하지 않는 $\Delta m_{14}^2$ 및 $\sin^2 2\theta_{14}$의 값은 무엇인가?
• RQ3 Neutrino-4 결과는 NEOS, DANSS, STEREO, PROSPECT, MiniBooNE, LSND, IceCube 실험 결과와 어떻게 비교되는가?
• RQ4 Neutrino-4 측정 결과를 바탕으로 $m_4^2 \approx \Delta m_{14}^2$를 가정할 때, 흑색 중성자기류의 효과적 질량은 무엇인가?
• RQ5 3+1 중성자기류 모델에서 Neutrino-4 결과를 통합했을 때, 전자, 뮤온, 타우 중성자기류의 효과적 질량은 각각 얼마인가?

주요 결과

• Neutrino-4는 $\Delta m_{14}^2 = 7.25 \pm 0.13_{\text{st}} \pm 1.08_{\text{sys}} \, \text{eV}^2$ 및 $\sin^2 2\theta_{14} = 0.26 \pm 0.08_{\text{st}} \pm 0.05_{\text{sys}}$에서 흑색 중성자기류 진동 신호를 관측하였다.
• Neutrino-4 데이터를 게이아 이 anomaly 및 반양성자기류 이 anomaly 결과와 결합하면, 4.6σ 유의수준에서 $\sin^2 2\theta_{14} \approx 0.19 \pm 0.04$를 얻는다.
• 가정 $m_4^2 \approx \Delta m_{14}^2$ 하에 흑색 중성자기류 질량은 $m_4 = 2.68 \pm 0.13 \, \text{eV}$로 추정된다.
• 3+1 모델에서의 효과적 전자 중성자기류 질량은 $m_{\nu_e}^{\text{eff}} = (0.58 \pm 0.09) \, \text{eV}$이다.
• 효과적 뮤온 중성자기류 질량은 $m_{\nu_\mu}^{\text{eff}} = (0.42 \pm 0.24) \, \text{eV}$이며, 타우 중성자기류 질량은 $m_{\nu_\tau}^{\text{eff}} \leq 0.65 \, \text{eV}$로 제한된다.
• 3+1 모델을 위한 확장된 PMNS 행렬이 구성되었으며, Neutrino-4 데이터를 포함한 반양성자기류 실험의 글로벌 피팅 결과는 경량 흑색 중성자기류 존재를 지지한다.