[논문 리뷰] Upper limit on the cross section for reactor antineutrinos changing 22Na decay rates

R.J. de Meijer, Steph Steyn|arXiv (Cornell University)|2014. 09. 23.

Radioactive Decay and Measurement Techniques참고 문헌 14인용 수 4

한 줄 요약

이 연구는 코에버그 원자력 발전소 근처에서 장기 측정을 통해 22Na의 붕괴 비율에 대한 반중성자류 유도 변화를 조사한다. 코incidence 합산 기법을 사용하여, 원자로 작동 상태와 정지 상태 사이에서 상대적 카운트 비율 변화가 (-0.51±0.11)×10⁻⁴로 관측되었으며, 이는 22Na 붕괴에 영향을 주는 반중성자류 상호작용 단면적에 대한 상한값 ~0.03 barn을 이끌어낸다.

ABSTRACT

In this paper we present results of a long-term observation of the decay of 22Na in the presence of a nuclear fission reactor. The measurements were made outside the containment wall of and underneath the Koeberg nuclear power plant near Cape Town, South Africa. Antineutrino fluxes ranged from ~5*10^11 to 1.6*10^13 cm^-2 s^-1 during this period. We show that the coincidence summing technique provides a sensitive tool to measure a change in the total decay constant as well as the branching ratio between EC and beta+ decay of 22Na to the first excited state in 22Ne. We observe a relative change in count rate between reactor-ON and reactor-OFF equal to (-0.51+/-0.11)*10^-4. After evaluating possible systematic uncertainties we conclude that the effect is either due to a hidden instrumental cause or due to an interaction between antineutrinos and the 22Na nucleus. An upper limit of ~0.03 barn has been deduced for observing any change in the decay rate of 22Na due to antineutrino interactions.

연구 동기 및 목표

• 원자로에서 발생하는 반중성자가 22Na의 붕괴 비율에 영향을 줄 수 있는지 테스트하기 위해, 경쟁적인 전자 포획 및 양전자 붕괴 방식을 가지는 방사성 뉴클리드 22Na의 붕괴 비율에 영향을 주는지 검토한다.
• 이전에 원자로 환경에서 보고된 22Na 붕괴 비율의 이상 현상이 새로운 물리학 또는 체계적 오차를 시사할 수 있는지 조사한다.
• 상대적 카운트 비율 변화 측정을 통해 반중성자류 유도 변화에 대한 22Na 붕괴 비율에 대한 단면적 상한값을 엄격하게 설정한다.
• 실제 원자로 조건에서 고정밀 붕괴 비율 측정 시 체계적 오차를 평가한다.

제안 방법

• 22Na 붕괴 측정은 코에버그 원자력 발전소의 봉쇄벽 외부 및 그 아래에서 수행되었으며, 반중성자류 밀도는 약 ~5×10¹¹에서 1.6×10¹³ cm⁻²s⁻¹ 범위였다.
• 22Na의 붕괴로 인해 생성되는 22Ne의 첫 번째 올림 상태에서 방출되는 감마선을 동시에 감지하기 위해 코incidence 합산 기법을 사용하여 붕괴 상수와 분획비율을 정밀하게 추적하였다.
• 원자로 작동 및 정지 상태에서 데이터를 수집하여 붕괴 비율을 비교하고 반중성자류 유도 효과를 탐지하였다.
• 상대적 카운트 비율 변화에 대한 통계 분석을 수행하였으며, 기기적 또는 물리적 영향을 분리하기 위해 체계적 오차를 철저히 평가하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 원자로에서 발생하는 반중성자가 22Na 붕괴 비율에 측정 가능한 변화를 유도할 수 있는가?
• RQ2 원자로 작동 중에 관측된 22Na 붕괴 비율 상대적 변화는 반중성자류 상호작용 때문인가, 아니면 기기적 또는 체계적 오차 때문인가?
• RQ3 반중성자류 유도로 22Na 붕괴 비율이 변화하는 데 기여하는 단면적의 상한값은 얼마인가?
• RQ4 코incidence 합산 기법은 22Na의 붕괴 상수 및 전자 포획과 양전자 붕괴 간 분획비율의 미세한 변화를 감지하는 데 얼마나 민감한가?

주요 결과

• 원자로 작동 상태와 정지 상태 사이에서 22Na 카운트 비율의 상대적 변화가 (-0.51±0.11)×10⁻⁴로 관측되었다.
• 체계적 오차를 평가한 결과, 관측된 효과는 숨겨진 기기적 고장 또는 반중성자류와 22Na 핵 간 잠재적 상호작용으로 기인한 것으로 판단된다.
• 반중성자류 상호작용에 의해 22Na 붕괴 비율이 변화하는 데 기여하는 모든 단면적에 대해 약 0.03 barn의 상한값이 설정되었다.
• 코incidence 합산 기법은 22Na에서 전자 포획과 양전자 붕괴 간 총 붕괴 상수 및 분획비율의 미세한 변화를 측정하는 데 효과적임을 입증하였다.