[논문 리뷰] Search for sterile neutrino oscillation using RENO and NEOS data

Z. Atif, Jiwon Choi외 45명|arXiv (Cornell University)|2020. 11. 02.

Chemical and Physical Properties of Materials참고 문헌 2인용 수 4

한 줄 요약

이 연구는 한빛 원자력 발전소의 동일한 원자로에서 확보한 2,509일간의 RENO 근접 탐지기 데이터와 180일간의 NEOS 데이터를 이용해, 거의 반응기 모델에 의존하지 않는 스테릴 중성미자 진동 탐색을 제시한다. RENO에서 유도된 비진동 예측과 NEOS의 즉각 에너지 스펙트럼을 비교함으로써, 95% 신뢰수준에서 $0.1 < |\Delta m_{41}^2| < 7$ eV$^2$ 영역을 배제하고, $|\Delta m_{41}^2| = 2.41$ eV$^2$ 및 $\sin^2 2\theta_{14} = 0.08$ 에서 68% 신뢰수준의 최적 적합점(p-value 8.2%)을 도출하였다.

ABSTRACT

We present a reactor model independent search for sterile neutrino oscillation using 2\,509\,days of RENO near detector data and 180 days of NEOS data. The reactor related systematic uncertainties are significantly suppressed as both detectors are located at the same reactor complex of Hanbit Nuclear Power Plant. The search is performed by electron antineutrino\,($\overlineν_e$) disappearance between six reactors and two detectors with baselines of 294\,m\,(RENO) and 24\,m\,(NEOS). A spectral comparison of the NEOS prompt-energy spectrum with a no-oscillation prediction from the RENO measurement can explore reactor $\overlineν_e$ oscillations to sterile neutrino. Based on the comparison, we obtain a 95\% C.L. excluded region of $0.1&lt;|Δm_{41}^2|&lt;7$\,eV$^2$. We also obtain a 68\% C.L. allowed region with the best fit of $|Δm_{41}^2|=2.41\,\pm\,0.03\,$\,eV$^2$ and $\sin^2 2θ_{14}$=0.08$\,\pm\,$0.03 with a p-value of 8.2\%. Comparisons of obtained reactor antineutrino spectra at reactor sources are made among RENO, NEOS, and Daya Bay to find a possible spectral variation.

연구 동기 및 목표

• 모델 의존도를 줄인 반응기 중성미자 실험에서 스테릴 중성미자 진동을 탐색하기 위해.
• 동일한 원자력 발전소에 위치한 탐지기를 이용해 반응기 관련 시스템적 오차를 억제하기 위해.
• RENO 및 NEOS 데이터 간의 스펙트럼 비교를 통해 전자 반중성미자 소멸이 스테릴 상태로의 진동을 탐지하기 위해.
• 독립적인 반응기 데이터를 이용해 (3+1) 중성미자 혼합 모델에 대한 제약을 강화하기 위해.

제안 방법

• 한빛 원자력 발전소에서 확보한 2,509일간의 RENO 근접 탐지기 데이터와 180일간의 NEOS 데이터를 활용한다.
• RENO 측정에서 유도된 비진동 예측과 NEOS의 즉각 에너지 스펙트럼을 비교함으로써, 반응기 모델 스펙트럼에 의존하지 않는다.
• 419 m (RENO) 및 24 m (NEOS)의 복사원 가중 거리를 활용하여 중성미자 진동을 탐지한다.
• RENO, NEOS 및 Daya Bay 간의 스펙트럼 형상 비교를 통해 반응기 반중성미자 스펙트럼 일관성을 평가한다.
• 유의미도 및 결과 일관성을 평가하기 위해 몬테카를로 시뮬레이션을 적용한다.
• 분열 분율의 차이를 보정하고, Zyla 등(2020)의 글로벌 최적 적합 3ν 진동 파rameter를 스펙트럼 외삽에 적용한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 RENO 및 NEOS 데이터를 이용해 반응기 모델에 의존하지 않는 스테릴 중성미자 진동 탐색이 가능한가?
• RQ2 스테릴 중성미자 파rameter $|\Delta m_{41}^2|$ 와 $\sin^2 2\theta_{14}$ 에 대해 배제 영역의 범위는 어느 정도인가?
• RQ3 RENO, NEOS 및 Daya Bay에서 측정한 반응기 반중성미자 스펙트럼은 얼마나 일관하는가?
• RQ4 NEOS 스펙트럼은 시스템적 오차 범위 내에서 (3+1) 중성미자 진동 기대치와 유사한 스펙트럼 조절을 보이는가?
• RQ5 세 실험 간의 관측된 스펙트럼 차이의 유의미도는 어떠한가?

주요 결과

• 95% 신뢰수준(C.L.)에서 스테릴 중성미자 진동에 대한 배제 영역이 $0.1 < |\Delta m_{41}^2| < 7$ eV$^2$ 로 설정되었다.
• 최적 적합 파ram터는 $|\Delta m_{41}^2| = 2.41$ eV$^2$ 와 $\sin^2 2\theta_{14} = 0.08$ 이며, p-value는 8.2%이다.
• RENO와 NEOS 간의 스펙트럼 비교에서 반응기 관련 시스템적 오차는 단지 0.04%에 불과하여 모델 의존도가 크게 감소하였다.
• NEOS 스펙트럼은 (3+1) 진동 기대치와 유사한 약한 스펙트럼 조절을 보였지만, 시스템적 오차 범위 내에 있었다.
• RENO, NEOS 및 Daya Bay 스펙트럼 간 비교에서 시스템적 오차 범위 내에서 일반적인 일치를 보였으며, RENO와 Daya Bay 간의 차이가 가장 작았다.
• 업데이트된 Daya Bay 2021 스펙트럼은 RENO와 비교해 에너지 스케일 이동이 없었으며, 이는 이전의 Daya Bay 2017 스펙트럼과는 다름을 나타낸다.