[论文解读] New Search for Mirror Neutrons at HFIR

L. J. Broussard, Kathy Bailey+23 more|arXiv (Cornell University)|Oct 2, 2017

Dark Matter and Cosmic Phenomena参考文献 21被引用 5

一句话总结

本文提出在高通量同位素反应堆（HFIR）开展一项低成本、高灵敏度的实验，利用磁场所中的冷中子搜索中子-镜像中子振荡。通过在现有的GP-SANS仪器上进行消失和再生测量，该方法可在不到一周的束流时间内，以90%置信水平排除振荡时间τ < 15秒的情况，为镜像物质暗物质提供强有力的探测手段。

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$$\sim$10~s. Here we describe a proposed disappearance and regeneration experiment in which the neutron oscillates to and from a mirror neutron state. An experiment performed using the existing General Purpose-Small Angle Neutron Scattering instrument at the High Flux Isotope Reactor at Oak Ridge National Laboratory could have the sensitivity to exclude up to $τ$$

研究动机与目标

• 通过搜索中子-镜像中子振荡这一隐藏-sector暗物质候选者的预测信号，检验镜像物质假说。
• 通过采用冷中子与磁场控制的新方法，克服先前超冷中子实验的局限性。
• 在极短束流时间内实现对τ < 15秒振荡时间的高灵敏度探测，利用HFIR现有的基础设施。
• 实现消失和再生测量，以交叉检验系统误差并提高结果的稳健性。

提出的方法

• 利用HFIR现有的通用型小角中子散射（GP-SANS）仪器，通过最小改动即可部署中子振荡搜索实验。
• 设计由螺线管和余弦θ线圈组成的磁场系统，并使用μ金属屏蔽，实现在20厘米直径束流线内2 mG的均匀性。
• 通过真空室内的校准磁强计实现反馈控制的磁场，确保测量期间的磁场稳定性。
• 在消失阶段和再生阶段进行中子透射测量，通过扫描磁场强度和方向以检测共振振荡信号。
• 使用蒙特卡洛模拟建模中子通量、束流线几何结构和探测器响应，以优化信背比和通量归一化。
• 在磁场值范围内进行共振扫描，将实测中子计数与模拟信号对比，提取排除限。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否利用磁场所中的冷中子，在90%置信水平下实现对τ < 15秒振荡时间的探测灵敏度？
• RQ2 消失和再生阶段能否同时优化，以在最小束流时间内最大化探测灵敏度？
• RQ3 磁场方向（B与B′之间的夹角β）如何影响振荡概率和探测灵敏度？
• RQ4 现有的HFIR GP-SANS仪器能否以低成本、最小干扰方式适配此项搜索？
• RQ5 为实现τ < 15秒的90%置信水平排除，需要何种程度的磁场控制和通量归一化？

主要发现

• 该实验可利用HFIR现有的GP-SANS仪器，在不到一周的束流时间内，以90%置信水平排除τ < 15秒的镜像中子振荡时间。
• 仅进行消失或仅进行再生测量时，可在磁场范围-125 mG < B′ < 125 mG内实现对τ < 15秒的探测灵敏度。
• 当在四个磁场方向上扫描（最坏情况β = 60°）时，再生测量的灵敏度相比单轴扫描提高2.5倍。
• 该方法对系统误差具有鲁棒性，因为任何异常信号只有在两个磁场系统同时精确调谐时才会在消失和再生阶段同时出现。
• 束流线改造要求极低，仅需增加消失束流线、探测系统和磁场控制装置，成本适中，且不会对GP-SANS的主任务造成重大干扰。
• 若同时进行消失和再生测量，虽需数周束流时间，但可实现对任何潜在信号的确认。