摘要
在过去的中微子测量中的异常导致了这些粒子具有非零质量，并且在它们传播时在它们的三种味道之间振荡。在2010年代，在核反应堆发射的反中微子光谱中观察到类似的异常，引发了一种补充中微子状态存在的假设，这种状态是无菌的，也就是说，不通过弱相互作用相互作用1．STEREO实验2，3.，4，5，6被设计来研究这个猜想，这可能会扩展粒子物理学的标准模型。在这里，我们提出了STEREO生成的全套数据的分析，确认了观测到的异常，同时拒绝了轻无菌中微子的假设。STEREO安装在劳埃-朗之万研究所(ILL)的研究反应堆上，精确测量与裂变相关的反中微子能谱235U.探测器的分割和它到紧凑核心的非常短的距离是我们分析STEREO的关键特性。测量的反中微子能谱表明，异常源于用于预测的核实验数据的偏差7，8．我们的结果支持了标准模型的中微子含量，并建立了一个新的参考235U反中微子能谱。我们预计，这一结果将使中微子基本性质的更精细测试取得进展，而且还将对反应堆物理学感兴趣的基准模型和核数据进行基准测试9，10以及天体物理或地中微子的观测11，12．
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参考文献
提到G.等人。反应堆反中微子异常。理论物理。启维83， 073006(2011)。
Allemandou, N.等人。STEREO实验。j . Instrum。13， p07009(2018)。
H. Almazán，等。来自STEREO实验66天反应堆数据的无菌中微子约束。理论物理。启。121， 161801(2018)。
Almazán, H.等。改进的无菌中微子约束从STEREO实验与179天的反应堆数据。理论物理。启维102， 052002(2020)。
Almazán, H.等。电子反中微子产率的精确测量235来自STEREO实验119天反应堆上的数据。理论物理。启。125， 201801(2020)。
Almazán, H.等。第一个反中微子能谱235U裂变与STEREO探测器在ILL。期刊。G48， 075107(2021)。
穆勒，t.a.等。改进的反应堆反中微子谱预测。理论物理。启C83， 054615(2011)。
核反应堆反中微子光谱的测定。理论物理。启C84， 024617(2011)。
埃斯蒂安，等人。更新的总和模型:与大亚湾反中微子通量的改进一致。理论物理。启。123， 022502(2019)。
Letourneau, A.等人。基于参数化β求和模型的反应堆反中微子异常的起源−转换。预印在https://arxiv.org/abs/2205.14954(2022)。
核电站作为反中微子天文学的背景源。自然316， 420-421(1985)。
雷顿，M.， Dye, S. & Monroe, J.用定向中微子测量探索隐藏的地球内部。Commun Nat。8， 15989(2017)。
考恩，C. L.，莱因斯，F.，哈里森，F. B.，克鲁斯，H. W.和McGuire, a . D.自由中微子的探测:确认。科学124， 103-104(1956)。
Abe, S.等。利用KamLAND精确测量中微子振荡参数。理论物理。启。One hundred.， 221803(2008)。
de Kerret, H.等人。双Choozθ13通过总中子俘获探测进行测量。Nat。物理。16， 558-564(2020)。
An, F. P.等。基于大亚湾实验运行1230天电子反中微子振荡的测量。理论物理。启维95， 072006(2017)。
巴克，G.等。RENO反应器反中微子振荡振幅和频率的测量。理论物理。启。121， 201801(2018)。
von Feilitzsch, F.， Hahn, A. A. & Schreckenbach, K.从239聚氨酯和235U热中子裂变产物及其相关的反中微子谱。理论物理。列托人。B118， 162-166(1982)。
Schreckenbach, K.， Colvin, G.， Gelletly, W. & Von Feilitzsch, F.从235U热中子裂变产物可达9.5 MeV。理论物理。列托人。B160， 325-330(1985)。
Hahn, a.a.等人。反中微子光谱241聚氨酯和239Pu热中子裂变产物。理论物理。列托人。B218， 365-368(1989)。
Mampe, W.等人。双聚焦铁芯电子能谱仪“BILL”的高分辨率(n, e−)在格勒诺布尔的高通量反应堆进行测量。诊断。Instrum。方法154， 127-149(1978)。
与裂变有关的电子能谱转换为反中微子能谱。理论物理。启C76， 025504(2007)。
高，Y. J.等。近地天体实验中的无菌中微子搜索。理论物理。启。118， 121802(2017)。
Schael, S.等。精密电弱测量Z共振。理论物理。代表。427， 257-454(2006)。
de Gouvêa, A.中微子质量模型。为基础。启诊断。部分。科学。66， 197-217(2016)。
Abazajian, K. N.等。光无菌中微子:一张白纸。预印在https://arxiv.org/abs/1204.5379(2012)。
Buck, C.， Gramlich, B.， Lindner, M.， Roca, C. & Schoppmann, S.用于STEREO反应堆中微子实验的液体闪烁体的生产和性质。j . Instrum。14， p01027(2019)。
李国强，李国强。无菌中微子实验的统计方法。期刊。相依,爵士。1468， 012175(2020)。
费尔德曼，G. J. &考辛斯，R. D.小信号的经典统计分析的统一方法。理论物理。启维57， 3873-3889(1998)。
Serebrov, a.p.等人。利用中微子-4实验和测量结果寻找无菌中微子。理论物理。启维104， 032003(2021)。
Atif, Z.等。利用RENO和NEOS数据搜索无菌中微子振荡。理论物理。启维105， 111101(2022)。
安德里亚米拉多等人。利用HFIR的PROSPECT实验改进了短基线中微子振荡搜索和能谱测量。理论物理。启维103， 032001(2021)。
Alekseev, i.g. & Skrobova, N. in第22届来自加速器的中微子国际研讨会(NuFact2021) 143(2022)。
巴里诺夫，V. V.等。巴克桑无菌转化实验(BEST)结果。理论物理。启。128， 232501(2022)。
Aghanim, N.等人。普朗克2018年的结果。六、宇宙学参数。阿斯特朗。12,54。641， a6(2020)。
阿克，等人。从第二次KATRIN测量运动中改进ev尺度的无菌中微子约束。理论物理。启维105， 072004(2022)。
Almazán, H.等。联合测量235U反中微子光谱由PROSPECT和STEREO。理论物理。启。128， 081802(2022)。
Almazán, H.等。用STEREO数据解释反应堆反中微子异常。预印在https://arxiv.org/abs/2210.07664．HEPData(集合)https://doi.org/10.17182/hepdata.132368(2022)。
哈代，J. C.，卡拉兹，L. C.，琼森，B.和汉森，P. G.混乱的本质衰变:复杂beta衰变方案的错误演示。理论物理。列托人。B71， 307-310(1977)。
An, f，等。JUNO的中微子物理学。期刊。G43， 030401(2016)。
阿卜杜拉，等。相干弹性中微子核散射:地球和天体物理应用。预印在https://arxiv.org/abs/2203.07361(2022)。
Akindele, O. A.等。利用反应堆反中微子的高能物理机会。预印在https://arxiv.org/abs/2203.07214(2022)。
Kopeikin, V.， Skorokhvatov, M. & Titov, O.用之间比值的新测量重新评估反应堆反中微子光谱235U和239聚氨酯β光谱。理论物理。启维104， l071301(2021)。
Sonzogni, A. A.， McCutchan, E. A.， Johnson, T. D. & Dimitriou, P.裂变产率数据在反中微子光谱计算中的影响235U (n，裂变)在热中子和快中子能量。理论物理。启。116， 132502(2016)。
海耶斯，a.c.等。反应堆中微子谱中肩的可能起源和含义。理论物理。启维92， 033015(2015)。
伯恩斯坦等人。Collo问u我u米:作为核安全工具的中微子探测器。Rev. Mod. Phys。92， 011003(2020)。
钱晓霞，谭安，凌俊杰，中岛勇，张昌年代搜索新物理的方法。诊断。Instrum。物理方法。研究一个827， 63-78(2016)。
斯特鲁米亚，A. & Vissani, F.精确准弹性中微子/核子横截面。理论物理。列托人。B564， 42-54(2003)。
评估核结构数据文件(ENSDF)。https://www.nndc.bnl.gov/ensdf/(2022)。
鲁里耶，D.等人。立体声运行周期181。https://doi.org/10.5291/ILL-DATA.ST-9(Laue-Langevin研究所(ILL)， 2018)。
鲁里耶，D.等人。STEREO运行周期2018/02。https://doi.org/10.5291/ILL-DATA.ST-10(Laue-Langevin研究所(ILL)， 2018)。
鲁里耶，D.等人。立体声运行周期184。https://doi.org/10.5291/ILL-DATA.ST-11(Laue-Langevin研究所(ILL)， 2018)。
鲁里耶，D.等人。STEREO运行关闭2018-19。https://doi.org/10.5291/ILL-DATA.ST-12(Laue-Langevin研究所(ILL)， 2018)。
鲁里耶，D.等人。STEREO阶段III运行关闭2019-0。https://doi.org/10.5291/ILL-DATA.ST-13(劳埃朗之万研究所(ILL)， 2019)。
鲁里耶，D.等人。STEREO阶段III运行周期19-1。https://doi.org/10.5291/ILL-DATA.ST-14(劳埃朗之万研究所(ILL)， 2019)。
鲁里耶，D.等人。STEREO III阶段运行周期2019-2。https://doi.org/10.5291/ILL-DATA.ST-15(劳埃朗之万研究所(ILL)， 2019)。
鲁里耶，D.等人。STEREO第三阶段运行周期2020-1。https://doi.org/10.5291/ILL-DATA.ST-16(劳埃朗之万研究所(ILL)， 2020)。
鲁里耶，D.等人。STEREO第三阶段运行周期2020-2。https://doi.org/10.5291/ILL-DATA.ST-17(劳埃朗之万研究所(ILL)， 2020)。
Agostinelli, S.等人。geant4 -一个模拟工具包。诊断。Instrum。物理方法。研究一个506， 250-303(2003)。
Mougeot, X. BetaShape:一种改进beta谱分析计算的新代码。EPJ Web会议。146， 12015(2017)。
提到G.等人。用能量尺度非线性解释反应堆反中微子肩?理论物理。列托人。B773， 307-312(2017)。
李泰泽，O. Serot, O. & Berge, L.裂变模型与FIFRELIN。欧元。理论物理。j .一51177(2015)。
Almazán, H.等。利用FIFRELIN改进的STEREO模拟与激发钆同位素的新伽马射线谱。欧元。理论物理。j .一55， 183(2019)。
H. Almazán等。用于中微子应用的改进FIFRELIN去激发模型。预印在https://arxiv.org/abs/2207.10918(2022)。
Labit L.-R。利用ILL STEREO探测器研究极短基线中微子振荡校正立体声探测器．博士论文，萨瓦大学勃朗峰(2021年);https://hal.archives-ouvertes.fr/tel-03596718
Gariazzo, S.， Giunti, C.， Laveder, M. & Li yyf .短基线中微子振荡的最新全球3+1分析。J.高能物理。2017， 135(2017)。
确认
这项工作由法国国家研究机构(ANR)在ANR-13- bs05 -0007项目和“未来投资”项目ENIGMASS LabEx (ANR-11- labx -0012)资助。作者非常感谢ILL为STEREO探测器的安装和操作提供的技术和行政支持。我们进一步感谢CEA、CNRS/IN2P3和马普学会的支持。
作者信息
作者及隶属关系
财团
贡献
所有列出的作者都对本出版物做出了贡献。不同的贡献涵盖了从STEREO探测器的设计和建造及其在反应堆现场的安装，到数据的采集以及模拟和分析软件的开发。手稿由整个合作小组审阅(https://www.stereo-experiment.org/)，所有作者都批准了最终版本;作者的名字按字母顺序排列。
相应的作者
道德声明
相互竞争的利益
作者声明没有利益竞争。
同行评审
同行评审信息
自然感谢Patrick Huber、Junpei Maeda和其他匿名审稿人对这项工作的同行评审所做的贡献。同行评审报告是可用的。
额外的信息
出版商的注意施普林格自然对出版的地图和机构从属关系中的管辖权主张保持中立。
扩展的数据图形和表格
扩展数据图1 STEREO数据采集。
左轴指的是反应堆功率图(橙色)，而在右轴上可以读取检测到的反中微子的相关累积数(深绿色)。在第二阶段发生了三个反应堆循环，在第三阶段发生了四个其他循环。反应堆开启(“ON”)和反应堆关闭(“OFF”)周期的交替是精确控制宇宙成因背景减法的实验的一个关键方面。
图2能量尺度的精确控制。
一个的实验和模拟重建能谱54锰源，源在单元4底部上方45cm处。b，实验和模拟12B谱。在前两个图中只显示了统计上的不确定性。c，各种放射源γ峰的实验和模拟位置的相对差值(红点)。对于多γ源，所有光子都在同一事件中被重建。n-H和n-Gd峰来自Am-Be源。由于猝灭效应，重构能量与物理能量不同。对于模拟和数据，统计不确定性可以忽略不计。主要的贡献来自于确定峰值位置的系统学(包括时间稳定性、拟合函数和拟合范围的选择)。d、实测与模拟之比12B光谱(红点)。误差条包括模拟系统的不确定性12B谱(显性贡献)和测量谱的统计不确定度。在c而且d，黑线和蓝带分别对应所有残差的全局拟合及其相关的不确定性。这里用一个三阶多项式作为实验和模拟能量尺度之间相对畸变的模型。这个函数直接适用于的残差c，而它被转换成频谱形状畸变，以适应点d遵循参考文献中描述的形式主义。61．所有不确定度均采用68%的CL(注1)σ以后)。这里只显示了III期结果;II期得到了类似的结果(参考文献。4）.
扩展数据图3探测器响应的时间演化。
一个， STEREO探测器6个靶细胞的cc演化。随着时间的推移，这种衰减主要可以用液体闪烁体衰减长度的减小来解释。两条虚线表示模拟的微调日期。实线表示从阶段II到阶段III的过渡，以及对应的参数集变化，用于仿真微调。在这一点上，CCs的非常小的不连续验证了这样一个事实，即模拟的两次微调足以精确控制整个实验中的探测器响应。b， 2.2 mev峰的位置随时间的剩余波动，从捕获宇宙中子到氢(n-H峰)，在应用演化CCs的能量重建后获得。1σ每个点的不确定度取自实验峰与水晶球函数的拟合。相对均值偏差的均方根(0.25%)被用来估计能量重建时间稳定性的系统不确定性。c， n-H峰能量分辨率的时间演化，设定全目标体积内的平均分辨率尺度及其因收集光衰减缓慢而引起的时间演化。MC的微调导致了阶段2和阶段3平均分辨率的不同。
图4 PSD变量的稳定性。
一个， PSD方法的说明，该方法根据收集到的光脉冲的形状分离电子反冲和质子反冲。PSD变量定义为问尾巴/问合计．b， 2019年5月(修正参考日期)和2020年11月(数据采集结束)Am-Be事件的PSD分布，显示了随时间的扭曲(主要是分布的移位)。所有图均为单元4，重建能量在1.625 ~ 4.125 MeV之间。c平移的演变需要将任何给定日期的PSD分布与2019年5月的参考保持一致。时间-温度多项式拟合。d1位移随温度的演变:一旦时间相关性被修正，演变遵循一阶多项式。d2位移随时间的演变:一旦温度依赖性被修正，演变遵循一个二阶多项式。所示的所有不确定性均统计为1σCL。
扩展数据图5 IBD信号和背景。
一个， IBD考生的选拔削减(详情见正文)。拓扑结构\ ({E} _ {{\ rm{提示}}}^ {{\ rm{细胞}}}\)由于探测器老化，在第三阶段出现松动。b，说明了使用基于PSD变量的事件分布提取IBD信号问尾巴/问合计(在应用甄选削减后)用于第三阶段。这两个种群(电子反冲和质子反冲)被很好地分开。ON中的配对率(蓝色)是以下数据的和:(1)相关背景对(红色，从OFF数据重新缩放)，(2)意外配对(灰色方框)，(3)IBD信号(绿色，由高斯模型建模，其积分给出此bin中的IBD率)。比例因子一个on OFF分布取决于环境参数(如大气压力)和on /OFF相对运行时间;在拟合中，它被视为一个自由参数。c，在目标水平(结合六个单元格)获得的信号与背景比，用于II期和III期。三期反应堆功率越高，IBD信号越强。只有PSD值在信号范围内(定义为低于电子反冲的“平均位置+ 2.5 sigma”)的事件才用于生成该图。d，从ON−搜索质子反冲区域中与反应堆相关的背景事件一个× OFF分布在目标水平。低能量过剩是由幂律发现和拟合的\ (f (E) = {p} _ {0} {E} ^ {- {p} _ {1}} \)．在这里,一个参数不拟合，但由宇宙背景对大气压力的测量灵敏度和ON和OFF期间的平均压差固定;在高能量下与零的一致性是一个很好的验证提取方法(拟合和计算值一个都同意)。所示的所有不确定性均统计为1σCL。
图6提取的反中微子谱的时间稳定性。
IBD光谱从七个获得的反应堆周期中提取，使用相邻的OFF数据作为背景减法。彩色条带表示1σ统计的不确定性。插入，对于每个单独的ON谱，相对于所有其他谱的平均值的残差被计算。所有这些残差的分布都符合正态分布。
扩展数据图7中子效率。
顶部面板，中子效率εn由Am-Be源作为水平(所有测量高度的平均值)的函数获得(一个)和垂直(所有测量单元格的平均值)(b)第二期(红色)及第三期(蓝色)的位置。在高度的单元格1、2、4、5和6中进行测量(圆)Z= 10、30、45、60、80厘米。对于相同位置所获得的模拟效率以三角形表示。拟合一个三维空间模型，并给出了探测器效率的连续描述:\ ({\ varepsilon} _ {{\ rm {n}}} ^ {{\ rm{数据}}}(X, Y, Z) \)(实线)和\ ({\ varepsilon} _ {{\ rm {n}}} ^ {{\ rm {MC}}} (X, Y, Z) \)(虚线)。下面是系数c \ ({} _ {{\ rm {n}}} = {\ varepsilon} _ {{\ rm {n}}} ^ {{\ rm{数据}}}/ {\ varepsilon} _ {{\ rm {n}}} ^ {{\ rm {MC}}} \)用于校正由于中子模拟缺陷而引起的效率偏差。它与的常数函数一致X一个二阶多项式Z；积分的差值\(\眉题{{c} _ {{\ rm {n}}}} \)来自于对a (X,Y,Z)模型cn被认为是系统不确定性。所示的所有不确定性均统计为1σCL。
扩展数据图8相对于无振荡模型，每个单元的反中微子光谱。
反中微子光谱显示为调整后的无振荡预测的比率{\ \({\帽子varphi}} _{我}{M} _ {p l,我}(0,0;{\帽子{\α}}^ {j}) \)细胞l∈{1，…，6}和phasep∈{II, III}。最优{\ \({\帽子varphi}} _{我}\)对所有细胞和相位都通用的参数吸收了整个光谱形状，因此只有细胞之间的相对扭曲仍然存在。实测数据与无振荡预测结果无明显偏差。为了说明，我们还显示了由最佳拟合无菌振荡参数(虚线红线)在每个细胞中诱导的光谱。所示的所有不确定性均统计为1σCL。
扩展数据图9235U裂变。
从纯裂变中测量的反中微子通量概述235U(高浓缩核燃料)相对于HM模型。对于具有不同阈值和分辨率的不同探测器的数据的直接比较，感兴趣的量是每个裂变的测量截面与预期截面的比率，σf，定义为反中微子谱乘以IBD截面的积分。STEREO的测量结果(0.945±0.021)是迄今为止最准确的，与文献中以前的世界平均值0.954±0.014非常吻合。66．为了进行比较，我们还展示了来自大亚湾和雷诺商业反应堆(低浓核燃料，绿色)的测量结果，尽管它依赖于反应堆演化模拟来分离的贡献235U来自其他同位素。误差条的大小对应于各自测量的总不确定度。HM模型的不确定度，对所有测量都是通用的，不包括在误差条中，由灰色带的宽度表示，而紫色点和带表示中心值和包括我们的结果后的新世界平均值的不确定度。所有的不确定度都是1σCL。
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引用本文
STEREO合作。的STEREO中微子谱235U裂变拒绝无菌中微子假说。自然613， 257-261(2023)。https://doi.org/10.1038/s41586-022-05568-2
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