[論文レビュー] Double Calorimetry System in JUNO

Miao He|arXiv (Cornell University)|Jun 27, 2017

Neutrino Physics Research参考文献 2被引用数 3

ひとこと要約

JUNOは、25,000個の3インチフォトマルチプライヤートューブ（PMT）と18,000個の20インチPMTを併用した二重カリメトリー方式を提案し、1パーセント未満のエネルギー分解能を達成する。小さなPMTは光子カウンティングモードで動作し、大きなPMTシステムの非線形応答を高精度にキャリブレーションすることで、系の系統的不確実性を制御し、ニュートリノ質量階層の測定や高エネルギー物理学への応用におけるエネルギー分解能を向上させる。

ABSTRACT

The Jiangmen Underground Neutrino Observatory (JUNO) is a multipurpose neutrino-oscillation experiment, with a 20 kiloton liquid scintillator detector of unprecedented 3\% energy resolution (at 1 MeV) at 700-meter deep underground. There are ~18,000 20-inch photomultiplier tubes (PMTs) in the central detector with an optical coverage greater than 75%. Control of the systematics of the energy response is crucial to archive the designed energy resolution as well as to reach 1% precision of the absolute energy scale. The detected number of photoelectrons in each PMT differs by two orders of magnitude in the reactor antineutrino energy range in such a large detector, which is a challenge to the single channel charge measurement. JUNO has approved a new small-PMT system, including 25,000 3-inch PMTs, installed alternately with 20-inch PMTs. The individual 3-inch PMT receives mostly single photoelectrons, which provides a unique way to calibrate the energy response of the 20-inch PMT system by a photon-counting technology. Besides, the small-PMT system naturally extends the dynamic range of the energy measurement to help the high-energy physics, such as cosmic muons and atmospheric neutrinos. We will present the physics concept of this double calorimetry, the design and implementation of the 3-inch PMT and its readout electronics system.

研究の動機と目的

• 系のエネルギー応答における系統的不確実性を制御することで、JUNOの液体シンチレーター検出器で1 MeVで3%のエネルギー分解能を達成すること。
• 原子炉反ニュートリノエネルギー範囲において2個のオーダーの変動を示す大型20インチPMTの非線形電荷応答の課題に対処すること。
• 宇宙線ミューオンや大気ニュートリノなどの高エネルギー物理学用途におけるエネルギー測定のダイナミックレンジを拡大すること。
• 確率的（20インチPMT）および非確率的（3インチPMT）な応答制御を組み合わせた二重PMTシステムを実装し、エネルギー分解能を向上させること。
• 3インチPMTの光子カウンティングを用いて、20インチPMTのエネルギースケールを1パーセント未満の精度でキャリブレーションすること

提案手法

• 20インチPMTの間隙に25,000個の3インチPMT（XP72B22）を配置し、二重層PMTシステムを構築する。
• 3インチPMTを光子カウンティングモードで使用し、原子炉反ニュートリノエネルギー範囲で98%以上が1光子電子のみを検出することを確保する。
• 3インチPMTからの電荷および時間情報の高帯域、デッドタイムなし読み出しを実現するため、マルチチャネルフロントエンドASIC（CATIROC）を採用する。
• 3インチPMTが測定する全電荷を基準として、20インチPMTシステムの非線形電荷応答をキャリブレーションする。
• 3インチPMTシステムを用いて、検出器内でのイベント発生位置の変動に起因するエネルギー応答の非一様性を補正する。
• 長期安定性と低バックグラウンドを実現するため、3インチPMTシステムをカスタム水中ボックスおよび電力/データ伝送システムと統合する

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 大型20インチPMTの非線形電荷応答を、大規模な液体シンチレーター検出器において1パーセント未満の精度でキャリブレーションするにはどうすればよいか？
• RQ2 光子カウンティングモードで動作する二次的な小型PMTシステムが、主たる大型PMTシステムのエネルギー応答を信頼性高くキャリブレーションできるか？
• RQ3 二重カリメトリー方式は、ニュートリノ振動測定におけるエネルギー分解能の系統的不確実性をどの程度低減できるか？
• RQ4 3インチPMTの導入により、原子炉反ニュートリノ以外の高エネルギー物理学用途におけるエネルギー測定のダイナミックレンジはどの程度拡張されるか？
• RQ5 HZC XP72B22 3インチPMTは、JUNOが求める時間分解能、エネルギー分解能、および放射能の厳密な要件を満たす性能をどのように示すか？

主な発見

• 3インチPMT（XP72B22）は、1光子電子分解能が35% ± 2%を達成し、サンプル間で優れた均一性を示している。
• 1光子電子の時間ウォークは5 ns FWHM未満であり、高精度なエネルギー再構成に必要なJUNOの時間的要件を満たしている。
• プリパルスおよびアフターパルスの電荷比はそれぞれ5%未満および15%未満であり、誤検出信号の寄与を最小限に抑えている。
• 3インチPMTの非線形性は1〜100光子電子範囲で10%未満であり、正確な光子カウンティングを保証している。
• 3インチPMTは、1,000 Hz（0.25 PE時）の低ダークレートおよび超低放射能を示しており、238U、232Th、40Kの濃度はそれぞれ400 ppb未満、400 ppb未満、200 ppb未満である。
• 二重カリメトリー方式により、1 MeVで3%のエネルギー分解能が達成され、系統的不確実性が1%未満に抑えられることで、ニュートリノ質量階層の決定に不可欠な性能が得られることが期待される。