30 MeV および 250 MeV における ${}^{16}$O と中性子の相互作用によって生成される $\gamma$ 線の測定

核心概念

水チェレンコフ検出器におけるニュートリノ反応の信号を正確にモデル化する上で重要な、高速中性子と酸素原子核の反応におけるガンマ線生成断面積測定結果を報告する。

要約

研究論文の概要

論文情報: T. Tano1, T. Horai1, Y. Ashida2,8, Y. Hino1,*, F. Iacob3, A. Maurel4, M. Mori5, G. Collazuol3, A. Konaka6,7, Y. Koshio1, T. Nakaya8, T. Shima7, and R. Wendell8. (2024). Measurement of γ-rays generated by neutron interaction with 16O at 30 MeV and 250 MeV. arXiv preprint arXiv:2405.15366v3.

研究目的: 本研究は、大型水チェレンコフ検出器におけるニュートリノ-酸素中性カレント準弾性散乱 (NCQE) 測定の精度向上を目指し、高速中性子と酸素原子核の反応におけるガンマ線生成断面積を測定することを目的とする。

方法: 大阪大学核物理研究センター (RCNP) の準単色エネルギー中性子ビーム (En = 30 および 250 MeV) を用い、高純度ゲルマニウム検出器により中性子-酸素反応で生成されたガンマ線を測定した。中性子ビームフラックスは有機液体シンチレータを用いて測定し、測定されたガンマ線信号とバックグラウンドテンプレートに基づくスペクトルフィッティング解析により、観測された各ガンマ線成分の断面積を測定した。

主要な結果:

• 30 MeV および 250 MeV の中性子エネルギーにおいて、複数のガンマ線ピークが観測され、それぞれが中性子-酸素反応後の励起核からのガンマ線であることが確認された。
• 観測されたガンマ線ピークに対し、スペクトルフィッティング解析を用いることで、各エネルギー準位におけるガンマ線生成断面積を測定した。
• 250 MeV の測定結果は、世界で初めての 200 MeV 以上のエネルギー領域における測定結果である。

結論: 本研究で得られた断面積測定結果は、水チェレンコフ検出器におけるニュートリノ-酸素 NCQE 反応の信号モデリングの精度向上に貢献する。特に、二次ガンマ線放出のモデリングにおける系統的不確実性の低減に大きく寄与することが期待される。

意義: 本研究は、水チェレンコフ検出器を用いたニュートリノ研究、特に大気ニュートリノや超新星背景ニュートリノの観測において、重要な役割を果たす。測定された断面積データは、ニュートリノ反応の信号モデリングの精度向上に貢献し、ひいてはニュートリノ振動パラメータのより正確な決定や、DSNB の発見につながる可能性がある。

限界と今後の研究: 本研究では、統計精度の制限により、一部のガンマ線ピークに対しては断面積の上限値しか得られなかった。今後、より高統計の測定を行うことで、これらのピークの断面積をより正確に決定することが望ましい。また、本研究で用いた中性子エネルギー以外のエネルギー領域における測定も、ニュートリノ反応のモデリング精度向上に貢献する。

統計

30 MeV の中性子エネルギーにおける全ガンマ線生成断面積は 112.5 ± 7.6 mb と測定された。
250 MeV の中性子エネルギーにおける全ガンマ線生成断面積は 74.3 ± 11.1 mb と測定された。

引用

抽出されたキーインサイト

Measurement of $\gamma$-rays generated by neutron interaction with ${}^{16}$O at 30 MeV and 250 MeV

by T. Tano, T. ... 場所 arxiv.org 11-21-2024

https://arxiv.org/pdf/2405.15366.pdf

深掘り質問

水チェレンコフ検出器以外の検出器を用いたニュートリノ実験にも応用可能だろうか？

本研究で得られた断面積測定結果は、水チェレンコフ検出器を用いたニュートリノ実験におけるニュートリノ-酸素原子核反応のモデリング精度向上に寄与するものです。水チェレンコフ検出器以外、例えば、液体シンチレータ検出器や液体アルゴン検出器など、異なる検出器を用いたニュートリノ実験においても、検出器中の標的原子核とニュートリノ反応で生成される中性子の反応によるガンマ線生成は重要なバックグラウンドとなりえます。
本研究で得られた知見、すなわち、中性子エネルギーごとのガンマ線生成断面積や生成されるガンマ線のエネルギー分布、角度分布に関する情報は、これらの検出器を用いたニュートリノ実験におけるバックグラウンド評価の精度向上にも応用可能と考えられます。特に、本研究では、従来測定が難しかった高エネルギーの中性子による反応を対象としているため、高エネルギーニュートリノ実験におけるバックグラウンド評価に大きく貢献する可能性があります。
ただし、検出器の種類や標的原子核の種類によって、反応の機構や断面積は異なるため、本研究で得られた結果をそのまま適用することはできません。それぞれの検出器や標的原子核に合わせた詳細なシミュレーションや実験による検証が必要となります。

中性子と酸素原子核の反応におけるガンマ線生成断面積を測定したが、他の原子核との反応における断面積測定も重要ではないだろうか？

その通りです。本研究では水チェレンコフ検出器を想定し、標的原子核として酸素原子核に着目してガンマ線生成断面積を測定しました。しかし、ニュートリノ実験では、検出器や周辺物質に含まれる他の原子核、例えば炭素、鉄、鉛など、と中性子が反応することも考えられます。これらの原子核との反応におけるガンマ線生成断面積についても測定を行うことで、より正確なニュートリノ反応のモデリングが可能となり、実験結果の解釈の信頼性を高めることができます。
特に、液体シンチレータ検出器では炭素原子核が、液体アルゴン検出器ではアルゴン原子核が主要な標的となるため、これらの原子核との反応におけるガンマ線生成断面積の測定は非常に重要です。
さらに、ニュートリノ実験だけでなく、原子力分野や医療分野など、中性子を用いる様々な分野においても、中性子と原子核の反応におけるガンマ線生成断面積のデータは重要です。幅広い分野への応用可能性を考えると、他の原子核との反応における断面積測定も重要であると言えるでしょう。

ニュートリノ反応のモデリング精度が向上することで、宇宙初期のニュートリノ生成に関する新たな知見が得られる可能性はあるだろうか？

ニュートリノ反応のモデリング精度が向上することで、宇宙初期のニュートリノ生成に関する新たな知見が得られる可能性はあります。
例えば、宇宙ニュートリノ背景放射(CνB)は、宇宙初期に生成されたニュートリノの残骸であり、宇宙の進化や素粒子物理学に関する貴重な情報を含んでいると考えられています。しかし、CνBは非常にエネルギーが低く、直接観測は極めて困難です。
そこで、CνBの検出を目指した実験では、CνBと原子核との反応を利用する方法が検討されています。この反応の断面積は、ニュートリノ反応のモデリング精度に大きく依存します。もし、モデリング精度が向上すれば、CνBと原子核との反応率をより正確に予測することが可能となり、CνBの検出感度が向上する可能性があります。
また、宇宙初期に起こったビッグバン元素合成(BBN)は、宇宙の初期元素の存在比を説明する重要な現象です。BBNにおける元素合成過程は、当時の宇宙の温度やバリオン数密度、ニュートリノの性質などに影響を受けます。ニュートリノ反応のモデリング精度が向上することで、BBNにおける元素合成過程をより正確に理解することができ、宇宙初期の物理状態に関する知見を得られる可能性があります。
さらに、ニュートリノ反応のモデリング精度の向上は、超新星爆発における元素合成過程の理解にもつながります。超新星爆発は、鉄より重い元素の起源として重要な役割を果たしており、その爆発機構や元素合成過程には、ニュートリノが深く関わっています。ニュートリノ反応のモデリング精度が向上することで、超新星爆発における元素合成過程をより詳細に解明できる可能性があります。
このように、ニュートリノ反応のモデリング精度向上が、宇宙初期のニュートリノ生成に関する新たな知見、ひいては宇宙の進化や素粒子物理学の理解につながる可能性は十分に考えられます。