[논문 리뷰] New Physics with MeV Neutrino Sources Brighter than a Thousand Suns

Sanjib Kumar Agarwalla, R. Raghavan|arXiv (Cornell University)|2010. 11. 19.

Neutrino Physics Research인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 태양보다 천만 배 이상 밝은 MeV 뉴트리노 원천을 활용하여 활성-비활성 뉴트리노 혼합을 통한 단거리 뉴트리노 진동을 탐구하는 것을 제안한다. Cerenkov, 액체 스크린티레이터, LENS와 같은 다양한 검출기들을 활용하여 뉴트리노의 풍미 유지 파동을 직접 관측하고, CPT 대칭성, 렙톤 수 위반, 비활성 뉴트리노 성질을 탐색할 수 있으며, 이는 뉴트리노 무마이오닉 이중베타 붕괴 실험과 유사한 민감도를 확보한다.

ABSTRACT

Short baseline oscillations of neutrinos (nue and nuebar) due to active-sterile (a-s) mixing can be observed explicitly using MeV neutrino beams and existing/planned neutrino detectors. The typical baseline/energy (L/E) of this approach allows flavor survival waves to be observed in the spatial distribution of events inside the detector itself. Single/multiple oscillations can be tested using a variety of sources of nue and nuebar matched to Cerenkov (C), liquid scintillator (LS) and LENS (In-LS) detectors. Distinct tags for nue (from In) and nuebar (from p in the LS) in LENS allow access to nue and nuebar for probing (a-s) mixing, CPT symmetry and in a new way, limits on lepton number violation (LNV) via wrong helicity neutrino reactions comparable to limits for neutrinoless double beta decay via right handed currents.

연구 동기 및 목표

• MeV 스케일의 뉴트리노 비를 활용하여 활성-비활성 혼합에 의해 유도되는 단거리 뉴트리노 진동을 연구하기 위해.
• 정확한 L/E 조절을 통해 뉴트리노 검출기에서 공간적으로 조절된 풍미 유지 파동을 직접 관측할 수 있도록 하기 위해.
• LENS 검출기에서 전자 뉴트리노와 반뉴트리노에 대한 별개의 태그를 활용하여 CPT 대칭성과 렙톤 수 위반(LNV)을 고정밀도로 테스트하기 위해.
• 오른쪽 손잡이 전류를 통해 뉴트리노 무마이오닉 이중베타 붕괴와 유사한 LNV 민감도를 확보하기 위해.
• 기존 및 계획 중인 검출기들을 활용하여 MeV 뉴트리노를 통해 표준모형을 초월한 새로운 물리 현상을 탐색할 수 있는 가능성을 입증하기 위해.

제안 방법

• 초당 10^45개 이상의 뉴트리노를 방출하는 MeV 뉴트리노 원천을 활용하여 태양 뉴트리노 방출량을 초월한다.
• Cerenkov(C), 액체 스크린티레이터(LS), LENS(In-LS) 검출기의 조합을 활용하여 In에서 유래한 전자 뉴트리노(태그)와 LS 내에서의 양성자에서 유래한 반뉴트리노(태그)를 식별한다.
• 기준거리 대 에너지 비율(L/E)을 조절하여 사건의 공간 분포에서 다수의 진동 최대값과 최소값을 관측할 수 있도록 실험 설계를 한다.
• LENS 검출기가 전자 뉴트리노와 반뉴트리노 사건에 대해 서로 다른 반응을 보이므로, CPT 및 LNV 연구에 활용한다.
• 오른쪽 손잡이 전류를 포함한 이론적 프레임워크를 활용하여 렙톤 수 위반 과정을 모델링하고, 이들의 단면적을 뉴트리노 무마이오닉 이중베타 붕괴의 경우와 비교한다.
• 기존의 검출기 기술과 빔 원천을 활용하여 새로운 가속기 시설이 필요 없이도 곧바로 실험을 구현할 수 있도록 한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 활성-비활성 뉴트리노 진동은 MeV 뉴트리노 비와 기존의 검출기를 활용하여 단거리에서 관측될 수 있는가?
• RQ2 L/E 조절을 통해 뉴트리노 검출기에서 풍미 유지 파동의 공간 해상도는 어느 정도 달성될 수 있는가?
• RQ3 LENS 검출기에서 태그된 전자 뉴트리노 및 반뉴트리노 사건을 활용하여 CPT 대칭성이 고정밀도로 테스트될 수 있는가?
• RQ4 MeV 뉴트리노 원천의 렙톤 수 위반에 대한 민감도는 얼마이며, 뉴트리노 무마이오닉 이중베타 붕괴와 비교해 볼 때 어떻게 되는가?
• RQ5 뉴트리노 상호작용에서 오른쪽 손잡이 전류에 의해 유도되는 과정이 뉴트리노 무마이오닉 이중베타 붕괴와 유사한 LNV 민감도를 달성할 수 있는가?

주요 결과

• 초당 10^45개 이상의 뉴트리노를 방출하는 MeV 뉴트리노 원천은 높은 민감도로 활성-비활성 혼합을 탐색하는 데 사용될 수 있다.
• L/E 비율을 조절한 검출기에서 뉴트리노 사건 분포의 공간 조절에 의해 유도된 풍미 유지 파동은 직접 관측될 수 있다.
• LENS 검출기는 In에서 기인한 전자 뉴트리노(태그)와 LS 내에서의 양성자에서 기인한 반뉴트리노(태그)에 대해 별개의 태그를 제공하여 정밀한 CPT 및 LNV 연구를 가능하게 한다.
• 오른쪽 손잡이 전류를 통한 렙톤 수 위반에 대한 민감도는 뉴트리노 무마이오닉 이중베타 붕괴 실험과 유사한 수준에 도달한다.
• 제안된 설정은 다양한 진동 모드를 탐색할 수 있으며, 비활성 뉴트리노 매개변수를 직접 탐색할 수 있는 새로운 방법을 제공한다.
• 본 연구는 기존 및 근래에 구축될 검출기들이 새로운 기반시설 없이도 MeV 뉴트리노를 활용하여 새로운 물리 현상을 탐색하는 데 사용될 수 있음을 확인한다.