[論文レビュー] A new type of Neutrino Detector for Sterile Neutrino Search at Nuclear Reactors and Nuclear Nonproliferation Applications

C. Lane, Usman, S. M.+22 more|arXiv (Cornell University)|Jan 27, 2015

Neutrino Physics Research参考文献 9被引用数 19

ひとこと要約

本論文では、3375個のボロンまたは6Liドープされたプラスチックシンチレーター素子で構成されるラガヴァン光学格子（ROL）を用いた新しいニュートリノ検出器NuLatを提案する。この検出器は、原子炉の反ニュートリノの振動を用いてステルルニュートリノを探索する。全内部反射を介した0.127 mmの空気ギャップを用いた正確な3次元イベントトポロジー再構成により、高い空間分解能とエネルギー分解能を達成し、逆ベータ崩壊信号の感受性の高い検出とバックグラウンドの分離が可能となる。シミュレーションでは、2 MeVの陽電子に対してFWHMで15–20%のエネルギー分解能を達成している。

ABSTRACT

We describe a new detector, called NuLat, to study electron anti-neutrinos a few meters from a nuclear reactor, and search for anomalous neutrino oscillations. Such oscillations could be caused by sterile neutrinos, and might explain the "Reactor Antineutrino Anomaly". NuLat, is made possible by a natural synergy between the miniTimeCube and mini-LENS programs described in this paper. It features a "Raghavan Optical Lattice" (ROL) consisting of 3375 boron or $^6$Li loaded plastic scintillator cubical cells 6.3\,cm (2.500") on a side. Cell boundaries have a 0.127\,mm (0.005") air gap, resulting in total internal reflection guiding most of the light down the 3 cardinal directions. The ROL detector technology for NuLat gives excellent spatial and energy resolution and allows for in-depth event topology studies. These features allow us to discern inverse beta decay (IBD) signals and the putative oscillation pattern, even in the presence of other backgrounds. We discuss here test venues, efficiency, sensitivity and project status.

研究の動機と目的

• 短基準距離でのステルルニュートリノ振動の探索を通じて、原子炉反ニュートリノ異常を解明すること。
• 逆ベータ崩壊（IBD）信号とバックグラウンドを区別できる優れた空間分解能およびエネルギー分解能を持つ検出器の開発。
• リアルタイムでモバイルなモニタリングにより、原子力不拡散の応用を可能にする、反原子炉出力および燃料サイクルの監視。
• 全内部反射を用いたセグメンテッドシンチレーター素子を用いた、スケーラブルで高分解能のニュートリノ検出器の実現可能性の実証。

提案手法

• NuLat検出器は、6.3 cm³のボロンまたは6Liドープされたプラスチックシンチレーター立方体を0.127 mmの空気ギャップで隔てた3375セルから構成されるラガヴァン光学格子（ROL）を用いる。
• IBDイベントからの光は、格子の3つの主軸に沿って全内部反射によって導波され、エネルギー付加の3次元再構成が可能になる。
• 検出器は、miniTimeCubeプログラムから得られる高速で高分解能のデジタイジング電子回路を統合し、IBD反応の正確なタイミングとトポロジーを捉える。
• シミュレーションでは、固体および液体シンチレーター構成において、空気、水、またはポリマー光学バリアを介した陽電子エネルギー付加と光収集をモデル化する。
• エネルギー分解能は再構成された陽電子運動エネルギー分布を用いて評価され、2 MeVの陽電子に対してシミュレーションでFWHMで15–20%の分解能を達成している。
• IBD成分の空間的および時間的一致を要件とすることで、バックグラウンド拒否が向上する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ラガヴァン光学格子検出器は、原子炉反ニュートリノデータにおける小混合角ステルルニュートリノ振動を検出するのに十分なエネルギー分解能および空間分解能を達成できるか？
• RQ2 光学バリア（空気、水、PFO、テトラフラオリド）の選択が、NuLat検出器における光伝送効率および全光電子収量に与える影響は何か？
• RQ3 3次元イベントトポロジーと一致時間に基づいて、NuLat設計が逆ベータ崩壊イベントとバックグラウンドイベントをどの程度明確に区別できるか？
• RQ4 現実的な原子炉フラックスおよびバックグラウンド条件下で、NuLatのステルルニュートリノ混合パラメータへの感受性は何か、特に1 eVの質量範囲において。
• RQ5 NuLat検出器は、核不拡散応用のためのモバイルでリアルタイムの原子炉出力および燃料サイクルモニタリングに適応可能か？

主な発見

• シミュレーションにより、NuLatは2 MeVの陽電子に対してFWHMで15–20%のエネルギー分解能を達成しており、IBD閾値を解像し、微小な振動信号を検出可能である。
• 空気ギャップを有する固体シンチレーター設計は、液体シンチレーターまたは水バリアと比較して、光の散乱が少なく、よりクリアでデジタルに近い信号を提供する。
• 空気ギャップを有するROL構成は最適な光伝送を達成し、固体シンチレーターにおける臨界角は、水ではθc = sin⁻¹(1.33/1.58) ≈ 1.0 rad、空気ではθc = sin⁻¹(1.0/1.58) ≈ 0.68 radとなる。
• 総光収集量が低いにもかかわらず、空気ギャップを有する固体シンチレーターは、効率的な伝送により、IBD閾値未満の600 keVの陽電子の検出を可能にする。
• 空気ギャップを有する液体シンチレーターは、空気ギャップを有する固体シンチレーターと比較して、より高い総光収集量を示すが、構築が複雑で光漏れのリスクがある。
• ROL幾何学的配置により、エネルギー付加の正確な3次元局在化が可能となり、IBD成分の空間的および時間的一致によるバックグラウンド拒否が顕著に向上する。