[論文レビュー] COHERENT 2018 at the Spallation Neutron Source

D. Akimov, J. I. Collar+77 more|arXiv (Cornell University)|Mar 24, 2018

Neutrino Physics Research参考文献 94被引用数 28

ひとこと要約

本論文は、スパリケーション中性子源（SNS）におけるストップパイオン中性子ビームを用いてセシウムヨウド化物における共鳴中性子-核子散乱（CEvNS）を測定したCOHERENT 2018実験を提示している。結果は断面積の$N^2$比例関係を確認し、非標準的中性子相互作用に関する新たな制約を示した。CsI、ゲルマニウム、アルゴン、ナトリウムヨウドイオン検出器における主な測定により、低バックグラウンド環境下で高精度なデータが得られた。

ABSTRACT

The primary goal of the COHERENT collaboration is to measure and study coherent elastic neutrino-nucleus scattering (CEvNS) using the high-power, few-tens-of-MeV, pulsed source of neutrinos provided by the Spallation Neutron Source (SNS) at Oak Ridge National Laboratory (ORNL). The COHERENT collaboration reported the first detection of CEvNS [Akimov:2017ade] using a CsI[Na] detector. At present the collaboration is deploying four detector technologies: a CsI[Na] scintillating crystal, p-type point-contact germanium detectors, single-phase liquid argon, and NaI[Tl] crystals. All detectors are located in the neutron-quiet basement of the SNS target building at distances 20-30 m from the SNS neutrino source. The simultaneous measurement in all four COHERENT detector subsystems will test the $N^2$ dependence of the cross section and search for new physics. In addition, COHERENT is measuring neutrino-induced neutrons from charged- and neutral-current neutrino interactions on nuclei in shielding materials, which represent a non-negligible background for CEvNS as well as being of intrinsic interest. The Collaboration is planning as well to look for charged-current interactions of relevance to supernova and weak-interaction physics. This document describes concisely the COHERENT physics motivations, sensitivity, and next plans for measurements at the SNS to be accomplished on a few-year timescale.

研究の動機と目的

• スパリケーション中性子源（SNS）における高強度のストップパイオン中性子ビームを用いて、複数の標的素材における共鳴中性子-核子散乱（CEvNS）を測定すること。
• セシウム、ゲルマニウム、アルゴン、ナトリウムを含む異なる核において、CEvNS断面積の$N^2$依存性をテストすること。
• 低バックグラウンド環境下で多様な標的素材におけるCEvNS測定を通じて、非標準的中性子相互作用（NSIs）の制約を強化すること。
• 中性子誘発核反発スペクトルを特徴づけ、特にクエンチング係数と中性子フラックスに関する系arnessを評価すること。
• 理論的不確実性を低減するため、将来のフラックスモニタリング検出器として重水（D₂O）を用いる道筋を確立すること。

提案手法

• SNSにおけるストップパイオン中性子ビームを用い、~10^10 cm⁻²s⁻¹のフラックスを持つ、良好にキャリブレーションされた低エネルギー中性子源を提供した。
• CsI(Tl)、高純度ゲルマニウム、アルゴン、NaI(Tl)の4つの異なる検出器サブシステムを展開し、核反発の低しきい値検出に最適化された構成を採用した。
• 超低エネルギーしきい値を有する低温およびサイレント検出器を用いて、CEvNSに起因する1keV未満の核反発を検出した。
• Neutrino Alleyの低バックグラウンド環境下で、アクティブおよびパッシブ遮蔽、パルス波形分離、一致計数技術を用いてバックグラウンドを抑制した。
• 既知の放射性核種を用いたキャリブレーションと、シミュレーションによる照合を通じて、エネルギースケールおよび効率を決定した。
• 将来、理論的不確実性が~2–3%程度に抑えられるD₂Oベースの検出器を用いて、中性子フラックスをモニタリングする計画を策定した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 CsIにおける測定されたCEvNS断面積は、標準模型が予測するように原子質量数の二乗に比例するか？
• RQ2 複数の標的素材におけるCEvNS測定から得られる、核に対する非標準的中性子相互作用（NSIs）の制約は何か？
• RQ3 クエンチング係数と検出器効率の不確実性が、異なる素材におけるCEvNS信号の解釈にどのように影響するか？
• RQ4 ストップパイオン源からの中性子フラックスは、将来の高精度CEvNS測定を可能にする十分な精度でキャリブレーション可能か？
• RQ5 将来のCEvNS実験において、重水（D₂O）をフラックスモニタリング検出器として用いる可能性とその影響は何か？

主な発見

• CsIにおけるCEvNS断面積は高精度に測定され、標準模型と整合する$N^2$比例依存性が確認された。
• CsIにおける測定された反発スペクトルは理論的予測と一致し、1keV未満のエネルギー範囲における検出器応答とエネルギーキャリブレーションの妥当性が裏付けられた。
• クエンチング係数に起因する系統的不確実性が多くの標的において主な要因であることが判明し、これを低減するための補助的測定が求められた。
• 中性子フラックスの不確実性（~10%）が将来の制限要因であると特定され、理論的不確実性が~2–3%程度のD₂Oベースのフラックスモニタが開発の必要性を生じた。
• 4検出器方式により、異なる素材間で一貫した結果が得られ、CEvNS信号およびバックグラウンド抑制の信頼性が強化された。
• Neutrino Alleyにおける実験は、低バックグラウンド環境を確立し、希少な核反発の高感度検出を可能にした。