[논문 리뷰] New Search for Mirror Neutrons at HFIR

L. J. Broussard, Kathy Bailey외 23명|arXiv (Cornell University)|2017. 10. 02.

Dark Matter and Cosmic Phenomena참고 문헌 21인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 고유량이소토프로즌(HPFIR)에서 냉중성자와 자석장 조건 하에서의 중성자-거울중성자 진동을 탐색하기 위한 저비용·고감도 실험을 제안한다. 기존의 GP-SANS 기구를 활용해 소실 및 재생 측정을 수행함으로써, 1주일 미만의 빔타임 내에 90% 신뢰수준에서 τ < 15 s 이하의 진동 시간을 배제할 수 있으며, 이는 반사물질 어둠물질의 강력한 탐색 수단이 된다.

ABSTRACT

The theory of mirror matter predicts a hidden sector made up of a copy of the Standard Model particles and interactions but with opposite parity. If mirror matter interacts with ordinary matter, there could be experimentally accessible implications in the form of neutral particle oscillations. Direct searches for neutron oscillations into mirror neutrons in a controlled magnetic field have previously been performed using ultracold neutrons in storage/disappearance measurements, with some inconclusive results consistent with characteristic oscillation time of $τ$$\sim$10~s. Here we describe a proposed disappearance and regeneration experiment in which the neutron oscillates to and from a mirror neutron state. An experiment performed using the existing General Purpose-Small Angle Neutron Scattering instrument at the High Flux Isotope Reactor at Oak Ridge National Laboratory could have the sensitivity to exclude up to $τ$$

연구 동기 및 목표

• 숨겨진 섹터 어둠물질 후보의 예측된 서명인 중성자-거울중성자 진동을 탐색함으로써 반사물질 가설을 검증하기 위해.
• 초냉각중성자 실험의 한계를 극복하기 위해 냉중성자와 자석장 제어를 활용한 새로운 접근법을 사용하기 위해.
• 기존 인프라의 활용을 통해 최소한의 빔타임으로도 τ < 15 s 이하의 진동 시간에 대해 고감도 탐지 성능을 달성하기 위해.
• 시스템적 오차를 교차 확인하고 강건성을 향상시키기 위해 소실 및 재생 측정을 동시에 수행할 수 있도록 하기 위해.

제안 방법

• HFIR에 설치된 일반목적소각도중성자산란(GP-SANS) 기구를 최소한의 수정으로 활용하여 중성자 진동 탐색 실험을 수행하기 위해.
• 솔레노이드 및 코스인 씰라우드 코ils를 사용하고 무메탈 쉴드를 적용하여 20 cm 지름의 빔라인에서 2 mG 이내의 균일한 자석장을 달성하기 위한 자석장 시스템을 설계하기 위해.
• 진공 용기 내부에 캘리브레이션된 자기계측기들을 사용하여 피드백 제어 방식의 자석장을 도입하여 측정 중 자석장 안정성을 유지하기 위해.
• 소실 단계와 재생 단계에서 중성자 투과도 측정을 수행하고, 자석장 강도와 방향을 스캔하여 공진 진동 신호를 탐지하기 위해.
• 몬테카를로 시뮬레이션을 통해 중성자 플럭스, 빔라인 기하학, 검출기 반응을 모델링하고, 신호 대 잡음비 및 플럭스 정규화 최적화를 위해 사용하기 위해.
• 자석장 값에 대한 공진 스캔을 수행하고, 측정된 중성자 수를 시뮬레이션된 신호와 비교하여 배제 한계를 추출하기 위해.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 냉중성자와 자석장 조건 하에서, τ < 15 s 이하의 진동 시간에 대해 감도를 확보할 수 있는가?
• RQ2 소실 및 재생 단계를 동시에 최적화하여 감도를 극대화하면서도 빔타임을 최소화할 수 있는가?
• RQ3 자석장 방향(자석장 B와 B′ 사이의 각도 β)은 진동 확률과 감도에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 HFIR의 기존 GP-SANS 기구를 최소한의 비용과 운영 방해로 이 실험에 적응시킬 수 있는가?
• RQ5 τ < 15 s에 대해 90% 신뢰수준에서 배제하기 위해 필요한 자석장 제어 수준과 플럭스 정규화 수준은 어느 정도인가?

주요 결과

• 기존의 GP-SANS 기구를 활용함으로써, HFIR에서 1주일 미만의 빔타임 내에 τ < 15 s 이하의 거울중성자 진동 시간을 90% 신뢰수준에서 배제할 수 있다.
• 소실 전용 또는 재생 전용 탐색 모두 자석장 범위 -125 mG < B′ < 125 mG 내에서 τ < 15 s 이하의 진동 시간에 감도를 확보할 수 있다.
• 네 개의 자석장 방향을 스캔하는 재생 탐색은 단일 축 스캔 대비 감도를 최대 2.5배 향상시킨다(최악의 경우 β = 60°).
• 모든 이상 신호가 소실 및 재생 단계에서 동시에 나타나야 하며, 이는 양쪽 자석장 시스템이 동일하게 조정되어 있을 때만 가능하므로, 시스템적 오차에 대해 강건하다.
• 필요한 빔라인 수정은 소실 빔라인, 검출 시스템, 자석장 제어 시스템 뿐이며, 비용은 낮고 GP-SANS 운영에 큰 영향을 주지 않는다.
• 소실 및 재생 실험을 동시에 수행할 경우 몇 주의 빔타임으로도 동일한 감도를 확보할 수 있으며, 잠재적 신호의 확인이 가능하다.