[論文レビュー] A Call to Arms Control: Synergies between Nonproliferation Applications of Neutrino Detectors and Large-Scale Fundamental Neutrino Physics Experiments

T. Akindele, T. Anderson+163 more|arXiv (Cornell University)|Feb 28, 2022

Neutrino Physics Research被引用数 7

ひとこと要約

本論文は、素粒子物理学における大規模ニュートリノ検出器と核不拡散防止への応用との間の戦略的連携を提案している。特に、反ニュートリノ検出を用いた核融合炉の遠隔監視を通じて、両者の連携を実現する。水素ベースおよびシンチレーション検出器に、高速フォトマルチプライヤー管を組み合わせた重複する検出技術、材料、インフラを活用することで、基礎ニュートリノ物理学と国際的核セキュリティの両分野を前進させる二重用途の研究が可能となり、共同での研究開発と資金調達の機会が得られる。

ABSTRACT

The High Energy Physics community can benefit from a natural synergy in research activities into next-generation large-scale water and scintillator neutrino detectors, now being studied for remote reactor monitoring, discovery and exclusion applications in cooperative nonproliferation contexts. Since approximately 2010, US nonproliferation researchers, supported by the National Nuclear Security Administration (NNSA), have been studying a range of possible applications of relatively large (100 ton) to very large (hundreds of kiloton) water and scintillator neutrino detectors. In parallel, the fundamental physics community has been developing detectors at similar scales and with similar design features for a range of high-priority physics topics, primarily in fundamental neutrino physics. These topics include neutrino oscillation studies at beams and reactors, solar, and geological neutrino measurements, supernova studies, and others. Examples of ongoing synergistic work at U.S. national laboratories and universities include prototype gadolinium-doped water and water-based and opaque scintillator test-beds and demonstrators, extensive testing and industry partnerships related to large area fast position-sensitive photomultiplier tubes, and the development of concepts for a possible underground kiloton-scale water-based detector for reactor monitoring and technology demonstrations. Some opportunities for engagement between the two communities include bi-annual Applied Antineutrino Physics conferences, collaboration with U.S. National Laboratories engaging in this research, and occasional NNSA funding opportunities supporting a blend of nonproliferation and basic science R&D, directed at the U.S. academic community.

研究の動機と目的

• 基礎物理学に用いられる大規模ニュートリノ検出器と、核不拡散防止に応用される検出器との間の連携を特定し、促進すること。
• 大規模ニュートリノ検出器の設置に伴う高コストと技術的複雑性の課題に対処し、共同開発とインフラの共有を可能にすること。
• 基礎ニュートリノ物理学の研究者と不拡散防止研究者との間の協力を強化するため、共同研究開発イニシアチブを推進すること。
• 基礎科学と応用的不拡散防止目標を結びつける持続的資金と制度的支援を提唱すること。
• ガドリニウムドープ水やシンチレーションシステムを含む、既存および計画中の検出器技術を、科学的発見と国際的保障措置の両方の目的に活用することを促進すること。

提案手法

• キロトンスケールの水素ベースおよびシンチレーション検出器といった、既存および計画中の大規模ニュートリノ検出器を、基礎物理学と炉の監視の両方の目的に二重用途で活用すること。
• 原子炉からの反ニュートリノ検出を、反ニュートリノの既知の発生率とエネルギースペクトルに基づいた不拡散防止のツールとして活用すること。
• 基礎物理学の分野で開発された、大面積かつ高速な位置分解型フォトマルチプライヤー管といった高度なフォト検出器システムを、不拡散防止用途に統合すること。
• ガドリニウムドープ水や不透明なシンチレーションプロトタイプといった、基礎物理学および不拡散防止の両方の研究開発のための試験用施設およびデモンストレータを整備すること。
• 年2回開催される「応用反ニュートリノ物理学会議」と米国国立研究所との共同プロジェクトを通じて、協力を促進すること。
• 米国核不拡散局（NNSA）の資金支援機会を活用し、不拡散防止と基礎物理学の両分野におけるハイブリッド研究開発を支援すること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 基礎物理学を目的とした大規模ニュートリノ検出器を、核不拡散防止監視に再利用する方法は何か？
• RQ2 炉からの反ニュートリノ検出と高エネルギー物理学実験との間に、どのような技術的および制度的連携が存在するか？
• RQ3 不拡散防止と基礎ニュートリノ物理学との間で共通する技術的要件（フォト検出器や遮蔽材など）は何か？
• RQ4 共同研究開発によって、不拡散防止および基礎ニュートリノ物理学用検出器システムの開発コストを削減し、導入を加速できるか？
• RQ5 長期的な協力を維持するための政策的および資金調達メカニズムは何か？

主な発見

• 基礎物理学に用いられる大規模ニュートリノ検出器と、核不拡散防止への応用との間に、自然な連携が存在する。特に、核融合炉の遠隔監視において顕著である。
• ニュートリノ振動や超新星研究の目的で開発されたキロトンスケールの水素ベースおよびシンチレーション検出器は、高感度で炉からの反ニュートリノを検出可能である。
• ガドリニウムドープ水や高速フォトマルチプライヤー管といった技術は、基礎物理学と不拡散防止の両方の試験用施設でテストされており、共同開発を可能にしている。
• 応用反ニュートリノ物理学会議や米国国立研究所との共同プロジェクトを通じた協力が、すでに両研究分野の橋渡しを始めている。
• NNSAの資金支援機会は、ハイブリッド研究開発を支援するものであり、学術機関が不拡散防止と基礎科学の両方の分野に参加できるようにしている。
• 主要な物理学プロジェクトに不拡散防止の目標を統合することで、ミッションの関連性が高まり、大規模検出器計画の長期的資金調達が安定する。