[論文レビュー] First demonstration of directional measurement of sub-MeV solar neutrinos in a liquid scintillator detector with Borexino

M. Agostini, K. Altenmüller+8 more|arXiv (Cornell University)|Sep 13, 2021

Neutrino Physics Research被引用数 6

ひとこと要約

本論文は、液体シンチレーター検出器を用いて、最初の方向性測定を、太陽の位置と相関する遅れて発生するシンチレーション光よりも先に発生する初期チェレンコフ光を活用することで実現した。この手法により、従来の液体シンチレーター標的においても方向性感度を達成でき、電子との中性子の弾性散乱における方向性の観測が初めて可能となり、⁷Be太陽中性子の生成率が抽出された。

ABSTRACT

Liquid scintillator detectors play a central role in the detection of neutrinos from various sources. In particular, it is the only technique used so far for the precision spectroscopy of sub-MeV solar neutrinos, as demonstrated by the Borexino experiment at the Gran Sasso National Laboratory in Italy. The benefit of a high light yield, and thus a low energy threshold and a good energy resolution, comes at the cost of the directional information featured by water Cherenkov detectors, measuring $^8$B solar neutrinos above a few MeV. In this paper we provide the first directionality measurement of sub-MeV solar neutrinos which exploits the correlation between the first few detected photons in each event and the known position of the Sun for each event. This is also the first signature of directionality in neutrinos elastically scattering off electrons in a liquid scintillator target. This measurement exploits the sub-dominant, fast Cherenkov light emission that precedes the dominant yet slower scintillation light signal. Through this measurement, we have also been able to extract the rate of $^{7}$Be solar neutrinos in Borexino. The demonstration of directional sensitivity in a traditional liquid scintillator target paves the way for the possible exploitation of the Cherenkov light signal in future kton-scale experiments using liquid scintillator targets. Directionality is important for background suppression as well as the disentanglement of signals from various sources.

研究の動機と目的

• 液体シンチレーター検出器において、従来はエネルギーおよびイベント率測定に限られていた技術を用いて、1MeV未満の太陽中性子の方向性感度を示すこと。
• 太陽の位置と相関する初期チェレンコフ光の時間的相関を活用し、中性子の進行方向を推定すること。
• 液体シンチレーター内での電子との中性子の弾性散乱に方向性情報が存在することを検証すること、これは以前に実証されていなかった能力である。
• 方向性情報を新たなキャリブレーションおよび検証ツールとして用いて、⁷Be太陽中性子の生成率を抽出すること。
• 将来のkトン規模の液体シンチレーター実験において、チェレンコフ光を用いたバックグラウンド低減および源同定を可能にする道を開くこと。

提案手法

• 本手法は、液体シンチレーター内での主要なシンチレーション信号よりも速やかに発生する、二次的成分であるチェレンコフ光成分を検出することに依存する。
• 検出された各イベントについて、最初の数個の光子の到着時刻と空間分布を、そのイベント発生時における太陽の既知の位置と照合する。
• 方向性は、初期光子発生の角度的整列が太陽方向と一致することから推定され、太陽からの中性子が、初期光子発生が太陽方向を向くようなイベントを生成するという事実を活用する。
• 時間窓を適用した光子クラスタリング手法を用い、チェレンコフ放射と整合する初期光子クラスタを同定する。
• 方向性シグナルは、中性子-電子散乱および検出器内での光の伝播を模擬したモンテカルロシミュレーションを用いてキャリブレーションされる。
• ⁷Be中性子の生成率は、方向性シグナルを予想される太陽中性子フラックスにフィットさせ、バックグラウンドモデルと比較することで抽出される。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 初期チェレンコフ光を用いて、液体シンチレーター検出器内での電子との中性子の弾性散乱から方向性情報を抽出できるか？
• RQ2 最初の数個の光子の時間的および空間的パターンは、太陽の位置と相関しているか？これは太陽中性子に対して期待される挙動である。
• RQ3 液体シンチレーター検出器が1MeV未満の中性子に対して測定可能な方向性感度はどの程度か？
• RQ4 方向性シグナルを用いて、⁷Be太陽中性子の生成率を独立して抽出できるか？
• RQ5 将来的な大型液体シンチレーター中性子実験において、チェレンコフ光がバックグラウンド低減および源同定に果たす可能性は何か？

主な発見

• 液体シンチレーター標的において、電子との中性子の弾性散乱における方向性の実験的証明が初めて達成された。
• 初期チェレンコフ光成分は、太陽中性子と整合する方向性シグナルを提供しており、統計的有意性は3σを超えている。
• 太陽の位置との方向性相関が確認されたことで、液体シンチレーター内でのチェレンコフ光を用いた方向再構成の可能性が裏付けられた。
• ⁷Be太陽中性子の生成率は、方向性シグナルから抽出され、従来のエネルギースペクトルに基づく測定と照合された。
• 本手法により、標的物質や検出器の幾何配置を変更することなく、液体シンチレーター内での方向性感度を達成できることが示された。
• 結果は、将来的なkトン規模の液体シンチレーター実験において、チェレンコフ光がバックグラウンド低減および源分離に有効である可能性を裏付けた。