[论文解读] Investigation of antineutrino spectral anomaly with updated nuclear database

Xubo Ma, Le Yang+3 more|arXiv (Cornell University)|Jul 21, 2018

Advanced NMR Techniques and Applications被引用 4

一句话总结

本研究通过结合 JENDL/DDF-2015 和 JEFF3.1.1 数据的更新核结构数据库以及 ENDF/B-VII.1 裂变产额，重新计算了反应堆反中微子能谱。结果表明，5–7 MeV 能谱峰可由 235U、238U、239Pu 和 241Pu 同位素的贡献良好解释，其裂变产额相关性极强（r > 0.85，239Pu 与 241Pu 间高达 0.96），表明该异常可能源于原始 β 谱测量或 β 到反中微子转换过程中的不确定性。

ABSTRACT

Recently, three successful antineutrino experiments (Daya Bay, Double Chooz, and RENO) measured the neutrino mixing angle theta_13; however, significant discrepancies were found, both in the absolute flux and spectral shape. In this study, the antineutrino spectra were calculated by using the updated nuclear database, and we found that the four isotopes antineutrino spectrum have all contribution to the 5--7 MeV bump with ENDF/B-VII.1 fission yield. The bump can be explained well using the updated library and more important isotopes contribution to the bump were also given. In the last, the fission yield correlation coefficient between the four isotopes were discussed, and found that the correlation coefficients are very large.

研究动机与目标

• 探究反应堆实验中观测到的 5–7 MeV 反中微子能谱峰的起源。
• 评估反应堆反中微子异常是否源于 β 谱测量的不准确或 β 到反中微子转换过程的误差。
• 评估更新的核结构数据与裂变产额库对反中微子能谱预测的影响。
• 量化 235U、238U、239Pu 和 241Pu 各自同位素对能谱峰的贡献。
• 分析四种主要同位素之间的裂变产额相关性，以评估其对异常的集体影响。

提出的方法

• 采用从头计算方法，利用结合 JENDL/DDF-2015 和 JEFF3.1.1 的更新核数据库中的累积裂变产额与 β 衰变参数，计算反中微子能谱。
• 使用公式 $ S(E_{\bar{\nu}}) = \sum_{i=1}^{N} Y_i \sum_{j=1}^{M} f_{ij} S_{ij}(E_{\bar{\nu}}) $，其中 $ Y_i $ 为累积裂变产额，$ S_{ij}(E_{\bar{\nu}}) $ 为单一切换过程的反中微子能谱。
• 通过 $ \delta(E_e, Z, A) $ 在 β 衰变谱模型中引入辐射、有限尺寸及弱磁性效应的修正。
• 利用 ENDF/B-VII.1、JEFF3.1.1 和 JENDL4.0 裂变产额库，将结果与 Huber-Mueller 模型及 Daya Bay 实验数据进行比较。
• 计算 235U、238U、239Pu 和 241Pu 之间的裂变产额相关系数，以评估同位素间的依赖关系。
• 使用 Daya Bay 测得的裂变份额（235U: 58.6%，238U: 7.6%，239Pu: 28.8%，241Pu: 5.0%）计算平均反中微子能谱，用于对比。

实验结果

研究问题

• RQ1 更新的核数据库是否解决了 Daya Bay、Double Chooz 和 RENO 实验中观测到的 5–7 MeV 反中微子能谱峰？
• RQ2 在四种主要同位素（235U、238U、239Pu、241Pu）中，哪一个对能谱峰的贡献最为显著？
• RQ3 四种同位素之间的裂变产额相关性如何影响对反中微子异常的解释？
• RQ4 β 谱测量或 β 到反中微子转换过程中的不确定性在多大程度上可解释观测到的能谱异常？
• RQ5 为何 Daya Bay 实验数据与更新的从头计算结果的谱比在 5–7 MeV 区域呈现峰形，而与 Huber-Mueller 模型的谱比则无此峰？

主要发现

• 5–7 MeV 反中微子能谱峰可由更新的核数据库良好解释，其贡献来自全部四种同位素：235U、238U、239Pu 和 241Pu。
• 每种同位素对峰的贡献均超过 2.4%，其中 239Pu 和 241Pu 的个体贡献最强。
• 同位素之间的裂变产额相关系数极高，其中 239Pu 与 241Pu 间最强（0.96），其余系数大多超过 0.85。
• Daya Bay 实验数据与从头计算预测结果的谱比在 5–7 MeV 区域呈现峰形，而与 Huber-Mueller 模型的谱比则无此峰，表明与实验数据的符合度更高。
• 使用更新数据库后，Daya Bay 实验数据与 Huber-Mueller 模型之间的差异减小，表明该异常可能源于原始 β 谱测量或 ILL 处 β 到反中微子转换过程中的不确定性。
• 本研究得出结论：反中微子异常与 5 MeV 峰可能均源于原始综合 β 谱测量的不确定性，或 β 到反中微子转换过程的误差。