[论文解读] Upper limit on the cross section for reactor antineutrinos changing 22Na decay rates

R.J. de Meijer, Steph Steyn|arXiv (Cornell University)|Sep 23, 2014

Radioactive Decay and Measurement Techniques参考文献 14被引用 4

一句话总结

本研究通过在科伯格核电站附近长期测量，调查了反应堆反中微子对²²Na衰变速率可能产生的影响。利用符合和测量技术，作者观察到反应堆开启与关闭状态下相对计数率变化为（-0.51±0.11）×10⁻⁴，从而得出任何影响²²Na衰变的反中微子相互作用截面的上限约为0.03 barn。

ABSTRACT

In this paper we present results of a long-term observation of the decay of 22Na in the presence of a nuclear fission reactor. The measurements were made outside the containment wall of and underneath the Koeberg nuclear power plant near Cape Town, South Africa. Antineutrino fluxes ranged from ~5*10^11 to 1.6*10^13 cm^-2 s^-1 during this period. We show that the coincidence summing technique provides a sensitive tool to measure a change in the total decay constant as well as the branching ratio between EC and beta+ decay of 22Na to the first excited state in 22Ne. We observe a relative change in count rate between reactor-ON and reactor-OFF equal to (-0.51+/-0.11)*10^-4. After evaluating possible systematic uncertainties we conclude that the effect is either due to a hidden instrumental cause or due to an interaction between antineutrinos and the 22Na nucleus. An upper limit of ~0.03 barn has been deduced for observing any change in the decay rate of 22Na due to antineutrino interactions.

研究动机与目标

• 测试反应堆反中微子是否会影响²²Na的衰变速率，²²Na是一种具有竞争性电子捕获与正电子发射衰变模式的放射性核素。
• 研究此前在反应堆环境中报告的²²Na衰变速率异常现象，这些现象可能暗示新物理或系统效应。
• 通过测量相对计数率变化，建立反中微子诱导的²²Na衰变变化截面的严格上限。
• 评估在真实反应堆条件下高精度衰变速率测量中的系统不确定性。

提出的方法

• ²²Na衰变的测量在科伯格核电站安全壳墙体外部且下方进行，暴露于反中微子通量范围为~5×10¹¹至1.6×10¹³ cm⁻²s⁻¹的环境中。
• 采用符合和测量技术，同时探测²²Na衰变至²²Ne第一激发态所发射的伽马射线，以精确追踪衰变常数和分支比。
• 在反应堆开启与关闭状态下均采集数据，以比较衰变速率并检测潜在的反中微子诱导效应。
• 对计数率的相对变化进行统计分析，并严格评估系统不确定性，以排除仪器或物理效应的影响。

实验结果

研究问题

• RQ1 反应堆反中微子是否能引起²²Na衰变速率的可测量变化？
• RQ2 反应堆运行期间观察到的²²Na衰变速率相对变化是由反中微子相互作用引起，还是由仪器或系统效应引起？
• RQ3 反中微子诱导的²²Na衰变速率修改的截面的上限是多少？
• RQ4 符合和测量技术在检测²²Na衰变常数和分支比微小变化方面的灵敏度如何？

主要发现

• 在反应堆开启与关闭状态下，观察到²²Na计数率的相对变化为（-0.51±0.11）×10⁻⁴。
• 在评估系统不确定性后，观察到的效应可能归因于隐藏的仪器故障，或反中微子与²²Na原子核之间潜在的相互作用。
• 已建立任何通过反中微子相互作用改变²²Na衰变速率的截面的上限，约为0.03 barn。
• 符合和测量技术在测量²²Na总衰变常数以及电子捕获与正电子发射衰变分支比的微小变化方面表现有效。