[논문 리뷰] Double charge exchange ($^{11}$B,$^{11}$Li) reaction for double beta decay response

K. Takahisa, H. Ejiri외 7명|arXiv (Cornell University)|2017. 03. 24.

Nuclear physics research studies인용 수 8

한 줄 요약

이 연구는 80 MeV/A에서 $^{11}$B($^{11}$Li) 이중 전하교환 반응(DCER)을 통해 중성미자 없는 이중베타붕괴(DBD)에 관련된 스핀이소스핀 반응을 조사한다. 실험 결과, 특히 $^{56}$Fe에서 고에너지 상태 영역에 DBD 강도가 집중되어 있음을 확인하였고, 5 MeV 이하의 낮은 에너지 상태에서는 거의 강도가 관측되지 않아, DCER가 DBD 행렬원소를 연구하는 데 유용한 도구로 활용될 수 있음을 보여준다.

ABSTRACT

The ($^{11}$B,$^{11}$Li) double charge-exchange reaction (DCER) at $E(^{11}$B)/$A$=80 MeV was measured for the first time to demonstrate the feasibility of the reaction for studying neutrino nuclear responses for double beta decays (DBD). The $^{13}$C($^{11}$B,$^{11}$Li)$^{13}$O reaction shows strengths at the ground state and low and high excitation giant resonance regions. The $^{56}$Fe ($^{11}$B,$^{11}$Li) $^{56}$Ni reaction shows the large strengths in the possible double giant resonance region and beyond, but shows no strengths in the low excitation region below 5 MeV, suggesting strong concentration of the DBD strength at the high excitation region. The DCER is used to evaluate the spin isospin strengths relevant to DBD responses.

연구 동기 및 목표

• 중성미자 없는 이중베타붕괴(DBD) 핵행렬원소를 탐지하기 위한 $^{11}$B($^{11}$Li) 이중 전하교환 반응(DCER)의 타당성을 평가하기 위해.
• DBD 반응과 관련된 스핀이소스핀 전이 강도를 $^{13}$C와 $^{56}$Fe에서 측정하기 위해.
• 특히 거대공명 영역과 고에너지 상태 영역에서 DBD 강도의 분포를 조사하기 위해.
• DCER가 낮은 에너지 상태의 배경 상태를 억제하면서도 고에너지 상태의 DBD 관련 전이에 선택적으로 접근할 수 있는지 확인하기 위해.
• 관련 핵에서 반응함수를 측정하여 이중베타붕괴 이론 모델에 대한 실험적 기준을 제공하기 위해.

제안 방법

• $^{11}$B 빔을 80 MeV/A로 조절하여 $^{13}$C와 $^{56}\text{Fe}$ 타겟을 조사하여 이중 전하교환 반응을 유도하기 위해.
• 고해상도 자기스펙트로미터를 사용하여 $^{11}$B($^{11}$Li) 반응 생성물을 측정하고 최종 상태의 진동 상태를 식별하기 위해.
• 진동 에너지 스펙트럼을 분석하여 기초 상태 및 거대공명 영역에서의 전이 강도를 추출하기 위해.
• $^{13}$C와 $^{56}$Fe에서 관측된 강도 분포를 비교하여 DBD 반응 집중 패턴을 식별하기 위해.
• 측정된 스핀이소스핀 강도 분포를 바탕으로 DCER가 DBD 행렬원소를 탐지하는 데 얼마나 관련이 있는지 추론하기 위해.
• 특히 5 MeV 이하의 낮은 에너지 상태에서의 강도 유무와 이중 거대공명 피크를 초월한 고에너지 상태 영역에서의 강도에 초점을 맞추기 위해.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 $^{11}$B($^{11}$Li) 이중 전하교환 반응이 중성미자 없는 이중베타붕괴와 관련된 스핀이소스핀 행렬원소를 효과적으로 탐지할 수 있는가?
• RQ2 $^{56}$Fe의 진동 스펙트럼에서 이중베타붕괴 반응의 주요 강도가 어디에 분포되어 있는가?
• RQ3 DCER 반응에서 5 MeV 이하의 낮은 에너지 상태 영역에서 유의미한 강도가 나타나는가? 이는 DBD 신호를 오염하거나 가려낼 수 있는가?
• RQ4 $^{13}$C와 $^{56}$Fe에서 측정된 전이 강도는 DBD 반응에 대한 이론적 예측과 어떻게 비교되는가?
• RQ5 DCER가 DBD 행렬원소가 주로 존재할 것으로 예상되는 고에너지 상태 영역에 얼마나 선택적으로 접근하는가?

주요 결과

• $^{13}$C($^{11}$B,$^{11}$Li)$^{13}$O 반응은 기초 상태와 낮고 고에너지의 거대공명 영역 모두에서 측정 가능한 강도를 보였다.
• $^{56}$Fe($^{11}$B,$^{11}$Li)$^{56}$Ni 반응은 특히 이중 거대공명 영역과 그 이상의 고에너지 상태 영역에서 큰 전이 강도를 보였다.
• $^{56}$Fe 반응에서 5 MeV 이하의 진동 에너지에서는 유의미한 강도가 관측되지 않아 낮은 에너지 전이가 강하게 억제됨을 시사하였다.
• 고에너지 상태 영역에 집중된 DBD 강도는 DCER가 DBD 행렬원소의 주요 성분을 선택적으로 탐지함을 시사하였다.
• 낮은 에너지 상태에서의 강도 부재는 DCER가 낮은 에너지 상태의 오염을 최소화하면서도 고에너지 상태의 DBD 반응을 깔끔하게 탐지할 수 있음을 뒷받침한다.
• 결과적으로 $^{11}$B($^{11}$Li) DCER는 이중베타붕괴와 관련된 스핀이소스핀 반응을 측정하는 데 실현 가능한 실험적 도구로 검증되었다.