[論文レビュー] Advanced Scintillator Detector Concept (ASDC): A Concept Paper on the Physics Potential of Water-Based Liquid Scintillator

J. Alonso, N. Barros+48 more|arXiv (Cornell University)|Sep 20, 2014

Neutrino Physics Research参考文献 25被引用数 34

ひとこと要約

この論文は、水性液体シンチレーション剤（WbLS）と、超高速で高精度なフォトデテクタ（例：LAPPD）を組み合わせた30–100キロトン規模の検出器「高度シンチレーション検出器概念（ASDC）」を提案する。この構成により、広いエネルギー範囲にわたり、高分解能かつ低しきい値のニュートリノ検出が可能となり、ニュートリノ質量階層、CP対称性の破れ、陽子崩壊、太陽ニュートリノおよび超新星ニュートリノ、およびニュートリノを伴わない二重ベータ崩壊に関する画期的な物理学的知見が得られる。

ABSTRACT

The recent development of Water-based Liquid Scintillator (WbLS), and the concurrent development of high-efficiency and high-precision-timing light sensors, has opened up the possibility for a new kind of large-scale detector capable of a very broad program of physics. The program would include determination of the neutrino mass hierarchy and observation of CP violation with long-baseline neutrinos, searches for proton decay, ultra-precise solar neutrino measurements, geo- and supernova neutrinos including diffuse supernova antineutrinos, and neutrinoless double beta decay. We outline here the basic requirements of the Advanced Scintillation Detector Concept (ASDC), which combines the use of WbLS, doping with a number of potential isotopes for a range of physics goals, high efficiency and ultra-fast timing photosensors, and a deep underground location. We are considering such a detector at the Long Baseline Neutrino Facility (LBNF) far site, where the ASDC could operate in conjunction with the liquid argon tracking detector proposed by the LBNE collaboration. The goal is the deployment of a 30-100 kiloton-scale detector, the basic elements of which are being developed now in experiments such as WATCHMAN, ANNIE, SNO+, and EGADS.

研究の動機と目的

• 複数のニュートリノ物理学のフロンティアおよびレアイベント探索を対象とする大規模で費用対効果に優れた検出器の開発。
• 高い光出力、長い減衰長、同位体ドーピングの可能性を備えた水性液体シンチレーション剤（WbLS）を活用し、物理学的探査範囲を拡大すること。
• 超高速フォトデテクタを用いて、即時のチェレンコフ光と遅延したシンチレーション光の時間的分離を正確に実現し、バックグラウンドの抑制と信号の識別を向上させること。
• 長基準距離ニュートリノ施設（LBNF）の遠方検出器としてASDCを統合し、液体アルゴンTPCと併用することで、長基準距離ニュートリノ計画の感度を向上させること。
• 30–100 kT規模のWbLS検出器を、レアイベント物理学に適した低バックグラウンド環境で制御可能にスケーリングする可能性を実証すること。

提案手法

• シンチレーション剤の高い光出力とチェレンコフ検出器の方向性に優れた特徴を併せ持つ水性液体シンチレーション剤（WbLS）を活性媒体として使用する。
• 大型面積ピコ秒フォトデテクタ（LAPPD）などの高効率でピコ秒時間分解能を持つフォトデテクタを導入し、即時のチェレンコフ光と遅延したシンチレーション光の時間的分離を解像可能にする。
• 反原子炉ニュートリノ、太陽ニュートリノ、中性子タグギング、全吸収カルオリメトリーの検出感度を向上させるために、6Li、7Li、天然Gd、Pbなどの特定同位体をWbLSにドーピングする。
• 宇宙線や放射性バックグラウンドの干渉を最小限に抑えるために、地下深部での運用を設計する。
• 既存のLBNF/LArTPC計画の遠方検出器としてASDCを統合し、補完的測定と物理学的感度の向上を実現する。
• WbLSの光学的特性、減衰長、フォトデテクタ性能のスケールアップを検証するため、既存のパイロット実験（ANNIE、WATCHMAN、SNO+、EGADS）を活用した研究開発を実施する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 水性液体シンチレーション剤（WbLS）は、30–100 kT規模の検出器を支えるために十分な減衰長と長期的な光学的安定性を達成できるか？
• RQ2 LAPPDのような超高速フォトデテクタは、WbLS内での即時のチェレンコフ光と遅延したシンチレーション光の時間的分離をどの程度解像できるか？
• RQ3 WbLSの同位体ドーピングは、陽子崩壊、太陽ニュートリノ、ニュートリノを伴わない二重ベータ崩壊といった特定の物理学的目的の検出感度をどの程度向上できるか？
• RQ4 ASDCは、長基準距離ニュートリノ振動実験におけるニュートリノ質量階層とCP対称性の破れの感度をどの程度向上できるか？
• RQ5 ASDCは、チェレンコフしきい値未満の低エネルギー物理学を可能にしつつ、既存の大規模検出器と同等またはそれ以上のバックグラウンド抑制性能を達成できるか？

主な発見

• WbLSは初期の光吸収特性において有望な結果を示しており、400 nm以上で純水に近い減衰長を示す可能性があり、大規模な検出器設計に適している。
• 100 psecのフォトデテクタ分解能は、2 nsec分解能と比較してバックグラウンド抑制をほぼ3倍向上させ、信号識別性能を顕著に向上させる。
• チェレンコフ光の方向性とシンチレーション光の高出力の組み合わせにより、高エネルギー分解能と低しきい値検出が可能となり、チェレンコフしきい値未満の感度拡張が実現される。
• 6Li、7Li、Gd、Pbのドーピングにより、反原子炉ニュートリノの異常解明、太陽ニュートリノ検出、中性子タグギング、数十トンの同位体質量を用いた0νββ崩壊探索といった、ターゲットを絞った物理学計画が可能になる。
• LBNF遠方検出器に設置された場合、ASDCは追加の10 kTのLArTPCと同等またはそれ以上の感度を示し、独立的で補完的な測定が可能である。
• ANNIE（30トン）やWATCHMAN（1 kton）といったパイロット実験は、WbLSの性能とフォトデテクタ統合の実証に不可欠であり、大規模導入に伴う技術的リスクを低減する。