[论文解读] De-excitation gamma-rays from the s-hole state in 15N associated with proton decay in 16O

Kiyoshi Kobayashi, H. Akimune+22 more|ArXiv.org|Apr 10, 2006

Nuclear physics research studies被引用 4

一句话总结

本研究测量了通过 16O(p,2p)15N 反应产生的 15N 中 s-hole 态的退激发 γ 射线，该研究对水切伦科夫探测器中质子衰变和中微子中性流相互作用的搜寻至关重要。对于 Eγ > 6 MeV 的总 γ 射线发射概率测定为 3.1%，约为来自 p-hole 态的主导 6.32 MeV γ 射线发射概率的 1/10，15.1 MeV γ 射线（来自 12C 的 T=1, 1+ 态）的发射概率在 99% 置信水平下的上限为 0.38%。

ABSTRACT

We have measured de-excitation gamma-rays from the s-hole state in 15N produced via the 16O(p,2p)15N reaction in relation to the study of the nucleon decay and the neutrino neutral-current interaction in water Cherenkov detectors. In the excitation-energy region of the s-hole state between 16 MeV and 40 MeV in 15N, the branching ratio of emitting gamma-rays with the energies at more-than-6 MeV are found to be 15.6+-1.3+0.6-1.0%. Taking into account the spectroscopic factor of the s-hole state, the total emission probability is found to be 3.1%. This is about 1/10 compared with the emission probability of the 6.32 MeV gamma-ray from the 3/2- p-hole state in 15N. Moreover, we searched for a 15.1 MeV gamma-ray from the 12C 1+ state which may be populated after the particle-decay of the s-hole state in 15N. Such a high energy gamma-ray from the hole state would provide a new method to search for mode-independent nucleon decay even if the emission probability is small. No significant signal is found within a statistical uncertainty.

研究动机与目标

• 测量通过 16O(p,2p)15N 反应产生的 15N 中 s-hole 态的 γ 射线退激发概率。
• 评估 s-hole 态 γ 射线在超级神冈探测器中通过 p→ν̄K+ 通道搜寻质子衰变时的背景抑制潜力。
• 搜寻来自 12C 的 T=1, 1+ 态的 15.1 MeV γ 射线，该信号可实现与模式无关的核子衰变探测。
• 测定谱学因子和发射概率，以改进水切伦科夫探测器中的探测效率估算。
• 基于实验数据和蒙特卡洛模拟，为 15.1 MeV γ 射线的发射概率设定上限。

提出的方法

• 在 16O 上进行 (p,2p) 反应，以在 15N 中激发 s-hole 态，激发能范围为 16 至 40 MeV。
• 使用高分辨率 γ 射线谱学方法，通过与双质子事件符合检测退激发 γ 射线。
• 应用蒙特卡洛模拟以建模预期的 γ 射线能量分布，特别是 15.1 MeV 峰。
• 通过校正来自 (e,e'p) 数据的谱学因子，计算分支比和发射概率。
• 使用统计分析方法，为 15.1 MeV γ 射线发射概率设定 99% 置信水平的上限。
• 将结果与理论预测及先前估算（如 Ejiri、Yamada）进行比较，以评估一致性。

实验结果

研究问题

• RQ1 s-hole 态在 15N 中 Eγ > 6 MeV 的总 γ 射线发射概率是多少？
• RQ2 s-hole 态的 γ 射线发射概率与来自 p-hole 态的主导 6.32 MeV γ 射线发射概率相比如何？
• RQ3 在 s-hole 态衰变后，能否探测到来自 12C 的 T=1, 1+ 态的 15.1 MeV γ 射线信号？
• RQ4 在 99% 置信水平下，15.1 MeV γ 射线的发射概率上限是多少？
• RQ5 测量得到的发射概率如何影响质子衰变与中微子实验中的探测效率和背景抑制？

主要发现

• 在考虑探测效率后，15N 中 s-hole 态的 Eγ > 6 MeV γ 射线分支比为 15.6 ± 1.3 +0.6/-1.0%。
• 在校正谱学因子后，Eγ > 6 MeV 的总发射概率为 3.1%，约为来自 3/2− p-hole 态的 6.32 MeV γ 射线发射概率的 1/10。
• Eγ 在 3 至 6 MeV 之间的 γ 射线发射概率为 27.9 ± 1.5 +3.4/-2.6%，表明该能量区间有显著贡献。
• 未观测到来自 12C 1+ 态的 15.1 MeV γ 射线的显著信号，因此其发射概率在 99% 置信水平下的上限为 0.38%。
• 理论预测的 15.1 MeV γ 射线发射概率约为 ~0.007%，显著低于实验上限。
• 4.4 MeV γ 射线发射显著，与来自 12C + t 通道的三氦核衰变一致，且符合空间 SU(3) 对称性选择规则。