[论文解读] The search for n-nbar oscillation in Super-Kamiokande I

K. Abe, Y. Hayato+96 more|arXiv (Cornell University)|Sep 20, 2011

Scientific Research and Discoveries被引用 2

一句话总结

本研究利用1489天的有效数据，在超级神冈探测器中搜索中子-反中子（$n-\bar{n}$）振荡，对应于$2.45 \times 10^{34}$个中子年暴露量。未观测到信号，因此在90%置信水平下，对结合在$^{16}$O中的中子的寿命设定了$1.9 \times 10^{32}$年的下限，对自由中子则为$2.7 \times 10^8$秒，理论核屏蔽因子为$0.517 \times 10^{23}$ s$^{-1}$。该结果对包含 seesaw 机制和轻子数破坏的模型构成约束。

ABSTRACT

A search for neutron-antineutron ($n-\bar{n}$) oscillation was undertaken in Super-Kamiokande using the 1489 live-day or $2.45 imes 10^{34}$ neutron-year exposure data. This process violates both baryon and baryon minus lepton numbers by an absolute value of two units and is predicted by a large class of hypothetical models where the seesaw mechanism is incorporated to explain the observed tiny neutrino masses and the matter-antimatter asymmetry in the Universe. No evidence for $n-\bar{n}$ oscillation was found, the lower limit of the lifetime for neutrons bound in ${}^{16}$O, in an analysis that included all of the significant sources of experimental uncertainties, was determined to be $1.9 imes 10^{32}$~years at the 90\% confidence level. The corresponding lower limit for the oscillation time of free neutrons was calculated to be $2.7 imes 10^8$~s using a theoretical value of the nuclear suppression factor of $0.517 imes 10^{23}$~s$^{-1}$ and its uncertainty.

研究动机与目标

• 在大型中微子探测器中搜索中子-反中子振荡，该过程导致轻子数减少两个单位。
• 检验结合 seesaw 机制以解释中微子小质量和物质-反物质不对称性的理论模型。
• 利用超级神冈探测器的高精度数据，对$n-\bar{n}$振荡寿命设定严格的下限。
• 在寿命确定中考虑所有重要实验不确定度，包括核介质效应。

提出的方法

• 利用超级神冈探测器的1489天有效数据，对应$2.45 \times 10^{34}$个中子年暴露量。
• 在$^{16}$O核中分析与$n-\bar{n}$振荡一致的事件，其中中子处于束缚态。
• 应用理论核屏蔽因子$0.517 \times 10^{23}$ s$^{-1}$，将束缚中子的振荡时间外推至自由中子振荡时间。
• 通过包含所有主要实验不确定度的统计分析，推导出90%置信水平下振荡寿命的下限。
• 采用基于似然的方法设定$n-\bar{n}$振荡速率的限制，假设未观测到信号。

实验结果

研究问题

• RQ1 在90%置信水平下，结合在$^{16}$O中的中子的$n-\bar{n}$振荡寿命下限是多少？
• RQ2 由屏蔽因子量化核介质效应如何影响向自由中子振荡的外推？
• RQ3 未观测到$n-\bar{n}$振荡对基于 seesaw 机制的轻子数破坏模型施加了何种约束？
• RQ4 在高统计量、长基线中微子实验中，实验不确定度如何影响最终的寿命下限？

主要发现

• 在超级神冈探测器1489天的有效暴露中，未观测到$n-\bar{n}$振荡的证据。
• 在90%置信水平下，结合在$^{16}$O中的中子的$n-\bar{n}$振荡寿命下限为$1.9 \times 10^{32}$年。
• 基于理论核屏蔽因子$0.517 \times 10^{23}$ s$^{-1}$，对应自由中子的下限为$2.7 \times 10^8$秒。
• 该结果考虑了所有重要实验不确定度，包括探测器响应和本底建模的系统效应。
• 该测量优于以往的限制，并对涉及轻子数破坏和 seesaw 机制的广泛模型类别构成约束。