[論文レビュー] Matter Effects of Thin Layers: Detecting Oil by Oscillations of Solar Neutrinos

Ara Ioannisian, Alexei Yu. Smirnov|ArXiv.org|Jan 3, 2002

Atomic and Subatomic Physics Research参考文献 3被引用数 4

ひとこと要約

本稿では、薄く低密度の層における物質効果による oscillation 変化を用いて、太陽からの $^{7}$Be ニュートリノを用いて地下の石油貯留層を検出する手法を提案する。可動式の深海検出器を用いて時間依存のフラックス変動を測定することで、0.1% のフラックス変化が石油ポケットを示す可能性があるが、3σの有意水準でこの効果を検出するには130 Mt の検出器が必要であり、実現可能性には大きな技術的課題が伴う。

ABSTRACT

We consider a possibility to use the solar neutrinos for studies of small scale structures of the Earth and for geological research. Effects of thin layers of matter with density contrast on oscillations of Beryllium neutrinos inside the Earth are studied. We find that change of the $^7Be$ neutrino flux can reach 0.1 % for layers with density of oil and size 20 km. Problems of detection are discussed. Hypothetical method would consist of measuring the $^7Be -$ flux by, {\it e.g.}, large deep underwater detector$-$submarine which could change its location.

研究の動機と目的

• 太陽ニュートリノの振動を用いた小規模な地質的構造（例：石油貯留層）の検出可能性を検討すること。
• 密度対比を持つ薄い層（例：石油貯留層）が $^{7}$Be ニュートリノのフラックスに顕著に影響を与える物質効果を評価すること。
• 統計的に有意なレベルでこのような振動変化を観測するための必要な検出器サイズと露出時間の評価。
• ニュートリノ振動を地球物理学的探査に応用する際の技術的・物理的制約の特定。

提案手法

• LMAパラメータを用いた二成分混合フレームワークを用いて、地球を通過するニュートリノ振動をモデル化する。
• ニュートリノ経路に沿った密度が変化した薄い層（$\rho_d$）による $\nu_e$ 生存確率の変化（$\Delta P$）を計算する。
• 変化する密度の媒体における振動確率を、有効な混合角 $\bar{\theta}_m^0$ と物質ポテンシャル $V_e$ を用いて計算する。
• 3σ検出のための必要最小イベント数 $N$ を、$N \geq 2k^2 (\Delta P / P)^{-2}$ を用いて推定し、$k=3$ とする。
• 検出器質量 $M_d$ を、$M_d \geq 2k^2 / (r t_{\text{exp}}) \cdot (\Delta P / P)^{-2}$ を用いて評価する。ここで $r$ はイベントレート、$t_{\text{exp}}$ は露出時間である。
• 検出器サイズ、有効体積、ニュートリノ経路との整合性が信号の抑制と検出可能性に与える影響を評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 薄く低密度の層（例：石油貯留層）が $^{7}$Be ニュートリノの振動パターンに測定可能な変化を引き起こす物質効果を持つだろうか？
• RQ2 石油に類似した密度対比を持つ20 km 厚さの層が、$^{7}$Be ニュートリノフラックスに及ぼす最大の変化はどれくらいか？
• RQ3 実現可能な露出時間内に、このような層からの3σ信号を観測するためには、深海ニュートリノ検出器がどれほど大きくなければならないか？
• RQ4 ニュートリノ経路に沿って検出器を移動させることで、小規模な地下構造への検出感度を向上させられるだろうか？
• RQ5 より高い感度が得られる可能性があるが、フラックスが低く、振動長が長いボロンニュートリノを用いることは実用的だろうか？

主な発見

• 20 km 厚さの石油に類似した層は、物質効果によるニュートリノ振動に起因し、$^{7}$Be ニュートリノのフラックスに最大で0.1% の変化を引き起こす。
• この効果を3σで検出するための必要な検出器質量は、1年間で10時間の露出時間と仮定すると約130メガトンである。
• 有限な検出器サイズと経路カバレッジの不完全さにより信号が抑制され、有効露出時間が減少し、結果として必要な質量が増加する。
• この効果は $\cos 2\bar{\theta}_m^0 \sim 3 \times 10^{-3}$ に比例しており、測定可能な振動変化の根本的な上限を規定する。
• ボロンニュートリノはより高い物質効果パラメータ（$\epsilon \sim 0.03$）を有するが、フラックスが1000分の1にまで低下するため、全体の検出可能なイベント数は減少する。
• 検出器を移動する、または複数年の観測を実施することで、必要な検出器質量を低減できるが、その場合、キャビティの位置に関する事前知識が不可欠である。