[論文レビュー] Feasibility and physics potential of detecting $^8$B solar neutrinos at JUNO

JUNO collaboration, Angel Abusleme+595 more|arXiv (Cornell University)|Jun 21, 2020

Neutrino Physics Research参考文献 47被引用数 13

ひとこと要約

本論文は、20 ktの液体シンチレーション検出器を用いたJUNO実験において、⁸B太陽ニュートリノの検出の可能性を示している。エネルギー分布歪みおよび昼夜非対称性を用いて、Δm²₂₁の2値を2σの感度で区別可能であり、内部放射能が低く（²³⁸Uおよび²³²Thは10⁻¹⁷ g/g）、エネルギー閾値が2 MeVに低下することで、Δm²₂₁の高精度測定が4.8⁺⁰.⁸₋₀.⁵ × 10⁻⁵ eV²で達成可能である。

ABSTRACT

The Jiangmen Underground Neutrino Observatory~(JUNO) features a 20~kt multi-purpose underground liquid scintillator sphere as its main detector. Some of JUNO's features make it an excellent experiment for $^8$B solar neutrino measurements, such as its low-energy threshold, its high energy resolution compared to water Cherenkov detectors, and its much large target mass compared to previous liquid scintillator detectors. In this paper we present a comprehensive assessment of JUNO's potential for detecting $^8$B solar neutrinos via the neutrino-electron elastic scattering process. A reduced 2~MeV threshold on the recoil electron energy is found to be achievable assuming the intrinsic radioactive background $^{238}$U and $^{232}$Th in the liquid scintillator can be controlled to 10$^{-17}$~g/g. With ten years of data taking, about 60,000 signal and 30,000 background events are expected. This large sample will enable an examination of the distortion of the recoil electron spectrum that is dominated by the neutrino flavor transformation in the dense solar matter, which will shed new light on the tension between the measured electron spectra and the predictions of the standard three-flavor neutrino oscillation framework. If $Δm^{2}_{21}=4.8 imes10^{-5}~(7.5 imes10^{-5})$~eV$^{2}$, JUNO can provide evidence of neutrino oscillation in the Earth at the about 3$σ$~(2$σ$) level by measuring the non-zero signal rate variation with respect to the solar zenith angle. Moveover, JUNO can simultaneously measure $Δm^2_{21}$ using $^8$B solar neutrinos to a precision of 20\% or better depending on the central value and to sub-percent precision using reactor antineutrinos. A comparison of these two measurements from the same detector will help elucidate the current tension between the value of $Δm^2_{21}$ reported by solar neutrino experiments and the KamLAND experiment.

研究の動機と目的

• 20 ktの液体シンチレーション検出器を用いたJUNO実験において、⁸B太陽ニュートリノの検出可能性を評価すること。
• スペクトル歪みおよび昼夜非対称性を用いて、太陽ニュートリノの質量二乗差Δm²₂₁の測定精度を評価すること。
• 高精度測定を達成するためのバックグラウンド抑制レベルを特定すること。
• 炭素における中性荷電および電荷荷電反応を通じて、hep太陽ニュートリノの検出可能性を調査すること。

提案手法

• 包括的なバックグラウンド分析に基づき、エネルギー依存のフィducialボリューム（FV）カットを採用し、信号露出を最大化するとともに外部バックグラウンドを最小限に抑える。
• ミューオンの軌跡に沿って距離および時間依存のバイト戦略を導入し、¹⁰C や ⁶He などの宇宙線誘発核種を抑制する。
• ⁸Bニュートリノが電子と弾性散乱（ES）する反応を用い、エネルギースペクトルを再構築し、スペクトル歪みを介してΔm²₂₁を抽出する。
• 昼夜非対称性を測定することで、ニュートリノ振動パラメータを調べる。
• 2–5 MeV範囲における信号対バックグラウンド比に及ぼす²¹⁰Poの崩壊およびU/Th系列の汚染物質の寄与を評価する。
• ¹²Cおよび¹³Cにおける中性荷電（NC）および電荷荷電（CC）反応を分析し、hepニュートリノの追加検出チャネルを検討する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 JUNOは、2 MeVのエネルギー閾値で⁸B太陽ニュートリノを検出可能な十分なバックグラウンド抑制を達成できるか？
• RQ2 JUNOにおいて、⁸Bニュートリノスペクトル歪みおよび昼夜非対称性を用いたΔm²₂₁測定の精度はどの程度か？
• RQ3 内部放射能レベル（²³⁸U、²³²Th、²¹⁰Po）が信号対バックグラウンド比およびエネルギー閾値に与える影響は何か？
• RQ4 νₓ–¹²C NCおよびνₑ–¹³C CC反応は、hep太陽ニュートリノへの感度を向上させるために利用可能か？
• RQ5 2つの競合するΔm²₂₁値（例：4.8×10⁻⁵ eV² と 7.5×10⁻⁵ eV²）を区別する感度はどの程度か？

主な発見

• ²³⁸Uおよび²³²Thの内部濃度が10⁻¹⁷ g/gであり、²¹⁰Poの崩壊率が2,600 cpd/ktの場合、⁸Bニュートリノ検出のエネルギー閾値は2 MeVに低下する。
• Δm²₂₁の測定精度は4.8⁺⁰.⁸₋₀.⁵ × 10⁻⁵ eV²に達し、Δχ² ≈ 5.3の感度を示しており、2つのΔm²₂₁値を2σ以上で区別可能である。
• 昼夜非対称性が不確実性の約50％を占め、⁸Bニュートリノフラックスの不確実性が約25％、スペクトル形状の不確実性が約10％である。
• ²¹⁰Poの濃度が10,000 cpd/ktを超えると、3–5 MeV範囲での信号対バックグラウンド比は35から0.6に低下し、性能が著しく劣化する。
• U/Th汚染が10⁻¹⁵ g/gに達すると、分析の閾値は5 MeVに上昇し、感度はΔχ² ≈ 3.5に低下し、2σ未満の区別が困難になる。
• U/Th濃度が10⁻¹⁷ g/g未満の場合、宇宙線誘発の¹⁰Cおよび⁶Heバックグラウンドが2–5 MeV範囲で支配的となるため、さらなる改善は顕著でない。