[論文レビュー] Coherent Scattering Investigations at the Spallation Neutron Source: a Snowmass White Paper

D. Akimov, A. Bernstein+55 more|arXiv (Cornell University)|Oct 1, 2013

Quantum, superfluid, helium dynamics参考文献 49被引用数 11

ひとこと要約

このホワイトペーパーは、オールドリッジ国立研究所のスパリケーション中性子源（SNS）を、最初の coherent elastic neutrino-nucleus scattering（CENNS）測定を可能にする高強度・パルス型ニュートリノ源として使用することを提案している。SNS標的から10–40 mの距離に、低閾値・低バックグラウンドの検出器（例：100 kgの液体キセノン検出器（RED100）や単相アルゴン/ネオン検出器（CLEAR）など）を設置することで、年間約1,470件のCENNSイベントを達成する予想であり、これは標準模型の高精度なテストおよびそれ以上の新物理の探査を可能にする。

ABSTRACT

The Spallation Neutron Source (SNS) at Oak Ridge National Laboratory, Tennessee, provides an intense flux of neutrinos in the few tens-of-MeV range, with a sharply-pulsed timing structure that is beneficial for background rejection. In this white paper, we describe how the SNS source can be used for a measurement of coherent elastic neutrino-nucleus scattering (CENNS), and the physics reach of different phases of such an experimental program (CSI: Coherent Scattering Investigations at the SNS).

研究の動機と目的

• スパリケーション中性子源（SNS）の強力でパルス型のニュートリノビームを用いて、最初の実験的観測を達成すること。
• SNSの60 Hzパルスビーム構造と明確に定義されたニュートリノエネルギースペクトル（ミューオンの崩壊によるピークエネルギー30 MeV）を活用し、時間相関を用いてバックグラウンドを低減すること。
• CENNSによるkeVスケールの核反発を検出可能な低閾値・低バックグラウンドの検出器（液体キセノンや単相アルゴン/ネオン検出器など）の開発および設置を実施すること。
• 標準模型の高精度なテストおよびニュートリノの性質や原子核構造を含む標準模型を超える新物理の探査を可能にすること。
• 最初の測定から高統計的測定および原子核物理学的調査に至る、SNSにおけるマルチフェーズ実験計画を構築すること。

提案手法

• SNSのパルス型1-GeVプロトンビーム（60 Hz、700 nsパルス）を用い、停止したパイオントロンとミューオンの崩壊による崩壊でニュートリノを生成し、標的から20 mの地点で約2×10⁷ cm⁻²s⁻¹の明確に特徴付けられたニュートリノフラックスを達成する。
• SNS標的から約40 mの距離に、100 kgの液体キセノン（LXe）検出器（RED100）を10 mの深さのボアホールに設置し、チタン製クライオスタット、低バックグラウンドのフォトマルチプライヤー管（PMT）、PTFE光集光器を用いて効率的な信号読み出しを実現する。
• 60 Hzのプロトンビームパルスとの時間相関を適用することで、宇宙線バックグラウンドを低減し、バックグラウンド抑制率を10³～10⁴に達する。
• アクティブおよびパスティブールディングを実施し、PMTを装備した水タンクによるミューオンおよび中性子遮断、およびフィducial化による電子反発および電磁的バックグラウンドの排除を実現する。
• 単相アルゴン/ネオン検出器（例：CLEAR）においてパルス形状識別を用い、核反発（CENNS）と電子反発・中性子バックグラウンドを区別する。
• 候補地で中性子散乱カメラ、液体シンチレーションアレイ、低バックグラウンドゲルマニウム検出器を用いたイン・スイートバックグラウンド測定を実施し、ビーム関連および環境バックグラウンドを特徴づける。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 SNSのパルス型で明確に定義されたニュートリノビームを用いて、最初にcoherent elastic neutrino-nucleus scattering（CENNS）を観測できるか？
• RQ2 低閾値・低バックグラウンド検出器を用いたSNSにおけるCENNS検出の実現可能なイベントレートとバックグラウンド低減レベルはどの程度か？
• RQ3 SNSニュートリノ源をどのように活用して、標準模型の高精度なテストおよびそれ以上の新物理の探査を可能にするか？
• RQ4 感度を最大化しバックグラウンドを最小限に抑えるために最適な検出器構成と設置戦略（例：ボアホール対地上、シールド）は何か？
• RQ5 単相希ガス液体検出器（例：アルゴン/ネオン）は、交換可能な希ガス液体ターゲットを用いてバックグラウンド低減とマルチターゲット物理学研究を可能にするか？

主な発見

• SNSは標的から20 mの地点で、停止パイオントロンとミューオンの崩壊による明確に定義されたエネルギースペクトルを有するニュートリノフラックス約2×10⁷ cm⁻²s⁻¹を提供しており、CENNS研究に最適である。
• SNS標的から約40 mの距離に設置された100 kgの液体キセノン検出器（RED100）は、年間約1,470件のCENNSイベントを観測できると予想され、最初の測定が可能となる。
• 60 Hz、700 nsパルスのパルスビーム構造により、時間相関による効果的なバックグラウンド低減が可能であり、宇宙線バックグラウンドが10³～10⁴倍に低減される。
• 候補地で中性子散乱カメラ、液体シンチレーションアレイ、低バックグラウンドゲルマニウム検出器を用いたバックグラウンド測定が進行中であり、ビーム関連および環境バックグラウンドを特徴づける。
• 単相アルゴン/ネオン検出器（例：CLEAR）は、パルス形状識別を可能にし、交換可能な希ガス液体ターゲットを用いてマルチターゲット物理学研究を可能にする有望な道筋を示している。
• 設置方法の選択肢には、地下のボアホール（例：10 mの深さ）とSNS標的から15–35 mの距離の地上設置があり、ボアホールは優れた遮蔽とバックグラウンド低減を提供する。