[논문 리뷰] The OscSNS White Paper

M. Elnimr, G.B. Mills외 26명|arXiv (Cornell University)|2013. 07. 26.

Neutrino Physics Research참고 문헌 5인용 수 18

한 줄 요약

이 화이트페이퍼는 오ak Ridge 국립연구소의 스파라션 중성자원(SNS)을 활용하여 약 1 eV/c²의 질량을 가진 스테일러리 중성자를 확실하게 탐색할 것을 제안한다. SNS의 강력한 중성자 비임을 통해 단기거리 중성자 진동을 탐색함으로써, LSND 및 MiniBooNE 이상현상에서 나타나는 스테일러리 중성자에 대한 점점 더 증가하는 실험적 증거를 고려하고, 출현 데이터와 소멸 데이터 간의 갈등을 해결하기 위한 유일무이한 시설로 SNS를 위치시킨다.

ABSTRACT

There exists a need to address and resolve the growing evidence for short-baseline neutrino oscillations and the possible existence of sterile neutrinos. Such non-standard particles require a mass of $\sim 1$ eV/c$^2$, far above the mass scale associated with active neutrinos, and were first invoked to explain the LSND $\bar u_\mu ightarrow \bar u_e$ appearance signal. More recently, the MiniBooNE experiment has reported a $2.8 \sigma$ excess of events in antineutrino mode consistent with neutrino oscillations and with the LSND antineutrino appearance signal. MiniBooNE also observed a $3.4 \sigma$ excess of events in their neutrino mode data. Lower than expected neutrino-induced event rates using calibrated radioactive sources and nuclear reactors can also be explained by the existence of sterile neutrinos. Fits to the world's neutrino and antineutrino data are consistent with sterile neutrinos at this $\sim 1$ eV/c$^2$ mass scale, although there is some tension between measurements from disappearance and appearance experiments. In addition to resolving this potential major extension of the Standard Model, the existence of sterile neutrinos will impact design and planning for all future neutrino experiments. It should be an extremely high priority to conclusively establish if such unexpected light sterile neutrinos exist. The Spallation Neutron Source (SNS) at Oak Ridge National Laboratory, built to usher in a new era in neutron research, provides a unique opportunity for US science to perform a definitive world-class search for sterile neutrinos.

연구 동기 및 목표

• 단기거리 중성자 진동에 대한 점점 더 증가하는 실험적 증거와 약 1 eV/c²의 질량을 가진 스테일러리 중성자의 잠재적 존재를 다루기 위해.
• 중성자 실험에서 출현 측정치와 소멸 측정치 간의 갈등을 해결하기 위해.
• 스테일러리 중성자의 존재 또는 부재를 고도로 우선시하는 과학적 목표로 설정하기 위해.
• 오ak Ridge 국립연구소의 스파라션 중성자원(SNS)을 세계적 수준의 시설로 활용하여 확실한 탐색을 수행하기 위해.
• 스테일러리 중성자가 표준모형 확장에서 차지하는 역할을 명확히 하여 향후 중성자 실험 설계를 이끌기 위해.

제안 방법

• SNS의 고강도 중성자 비임을 활용하여 제어 가능한 양성자 및 반중성자 조사량을 생성하기 위해.
• 단기거리 구성에서 중성자 및 반중성자의 소멸과 출현을 정밀 측정하기 위해.
• 특히 약 1 eV/c² 질량 범위에서 스테일러리 상태로의 진동을 식별하기 위해 고도의 탐지 기술을 적용하기 위해.
• 표준 3개 중성자 모델의 예측과 관측된 사건 수를 비교하여 편차를 탐지하기 위해.
• 교정된 방사성 원소 및 Reactor 데이터를 활용하여 결과를 상호검증하고 스테일러리 중성자 매개변수를 제약하기 위해.
• LSND, MiniBooNE 및 Reactor 실험의 데이터를 통합하여 전반적인 중성자 진동 매개변수를 적합하기 위해.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 MiniBooNE의 반중성자 모드에서 관측된 2.8σ의 초과 현상은 스테일러리 중성자 진동에 대한 증거를 제공하는가?
• RQ2 SNS 실험은 단기거리 이상현상에 대한 스테일러리 중성자 진동 설명과 다른 새로운 물리학적 설명을 구별할 수 있는가?
• RQ3 출현 및 소멸 실험에서 유도된 스테일러리 중성자 매개변수의 일관성은 어떠한가?
• RQ4 반응기 및 교정된 원천 측정치는 스테일러리 중성자의 존재를 어느 정도 제약하는가?
• RQ5 SNS 시설은 스테일러리 중성자 진동에 대해 최고의 감도를 확보하기 위해 어떻게 최적화될 수 있는가?

주요 결과

• LSND 실험은 스테일러리 중성자 진동과 일치하는 $\bar{u}_\mu \rightarrow \bar{u}_e$ 출현 신호를 관측하였다.
• MiniBooNE는 반중성자 모드에서 2.8σ의 초과와 중성자 모드에서 3.4σ의 초과를 보고하였으며, 모두 스테일러리 중성자 진동과 일치하였다.
• 교정된 원천 및 반응기에서 예상보다 낮은 사건 수는 스테일러리 중성자 혼합으로 설명될 수 있다.
• 중성자 및 반중성자 데이터에 대한 전반적 적합은 약 1 eV/c²의 질량 척도에서 스테일러리 중성자가 존재하는 데 일관성을 보였다.
• 소멸 실험과 출현 실험 간의 갈등이 존재하여 확실한 시험의 필요성을 시사한다.
• SNS는 스테일러리 중성자를 확실하게 탐색하기 위한 세계적 수준의 시설로 유일하게 적합시켜진다.