[論文レビュー] First results of the deployment of a SoLid detector module at the SCK-CEN BR2 reactor

Nick Ryder|arXiv (Cornell University)|Oct 27, 2015

Neutrino Physics Research被引用数 5

ひとこと要約

SoLid実験は、BR2原子炉で電子からステアイル反ニュートリノへの振動を探索するために、6LiF:ZnS(Ag)を用いた高精度な中性子・ガンマ線識別を実現する高セグメント化された複合シンチレーター検出器を導入する。2014年に設置された288 kgのプロトタイプモジュールは、中性子波形識別とミューオンを用いたキャリブレーションに成功し、3トンの検出器の実現に道筋を示した。3年間のデータ取得で、世界最高の感度を達成するステアイルニュートリノ振動の探索が可能となる。

ABSTRACT

The SoLid experiment aims to resolve the reactor neutrino anomaly by searching for electron-to-sterile anti-neutrino oscillations. The search will be performed between 5.5 and 10 m from the highly enriched uranium core of the BR2 reactor at SCK-CEN. The experiment utilises a novel approach to anti-neutrino detection based on a highly segmented, composite scintillator detector design. High experimental sensitivity can be achieved using a combination of high neutron-gamma discrimination using 6 LiF:ZnS(Ag) and precise localisation of the inverse beta decay products. This compact detector system requires limited passive shielding as it relies on spacial topology to determine the different classes of backgrounds. The first full scale, 288 kg, detector module was deployed at the BR2 reactor in November 2014. A phased three tonne experimental deployment will begin in the second half of 2016, allowing a precise search for oscillations that will resolve the reactor anomaly using a three tonne detector running for three years. In this talk the novel detector design is explained and initial detector performance results from the module level deployment are presented along with an estimation of the physics reach of the next phase.

研究の動機と目的

• 理論的予測と比較して測定された反ニュートリノ束流に2.5σの不足が見られる、原子炉ニュートリノ異常を解明すること。
• 電子反ニュートリノがステアイルニュートリノ状態に振動する現象を探索し、これにより原子炉異常およびガリウム異常の両方を説明可能かどうかを検証すること。
• 最小限の被動遮蔽を備えたコンactな高セグメント化シンチレーター検出器を用いて、高い実験感度を達成すること。
• BR2原子炉にフルスケールのプロトタイプ・モジュールを設置することで、3トンの検出器システムの実現可能性を実証すること。
• エネルギーおよび基準距離関数としての反ニュートリノ束流の高精度測定を可能にし、束流計算に依存せずに振動仮説を直接検証すること。

提案手法

• パルス形状解析による高精度な中性子・ガンマ線識別を実現するため、6LiF:ZnS(Ag)を用いたシンチレーター・タイルを有する複合シンチレーター検出器を用いる。
• 波長シフト（WLS）繊維を用いてシンチレーション光を収集し、陽電子エネルギーを高い分解能（1 MeVで予想される14%分解能）で再構成する。
• FPGAを用いたリアルタイムの中性子識別を導入し、バックグラウンドの抑制とイベントタイミングの向上を図る。
• 逆ベータ崩壊（IBD）生成物（陽電子および中性子捕獲）の空間的トポロジーと正確な局在化を活用して、信号とバックグラウンドを区別する。
• 短基準距離振動への感度を最大化するために、原子炉コアから5.5〜10 mの範囲に検出器を設置する。
• 段階的実験を実施：最初に288 kgモジュール（2015年）、その後、異なる基準距離に2つの検出器モジュールを備えた3トンの検出器（2016年以降）を稼働させる。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 原子炉ニュートリノ異常は、電子反ニュートリノがステアイルニュートリノ状態に振動することによって説明可能だろうか？
• RQ2 短基準距離において、3+1ステアイルニュートリノモデルに対する3トンで高セグメント化されたシンチレーター検出器の感度はどの程度か？
• RQ3 最小限の被動遮蔽を備えたコンパクトな検出器が、パルス形状および空間的トポロジーを用いて十分なバックグラウンド抑制を達成できるだろうか？
• RQ4 288 kgプロトタイプ・モジュールは、中性子波形の識別およびミューオン線跡を用いたキャリブレーションにおいて、どの程度の性能を示したか？
• RQ5 SoLid実験の初期段階および高精度段階が、原子炉およびガリウム異常の95%信頼区間および3σパラメータ空間のどの程度をカバーできるか？

主な発見

• 288 kgの検出器モジュールは、2015年2月から9月にかけて、原子炉稼働時、原子炉停止時、キャリブレーション源実験の各ステージでデータ収集に成功し、検出器の性能が妥当であることが検証された。
• 初期解析により、中性子波形の識別が効果的に行われ、ミューオン線跡を用いたキャリブレーションが成功したことが確認され、検出技術の実現可能性が裏付けられた。
• プロトタイプ・モジュールは、1 MeVで約14%の陽電子エネルギー分解能を達成したが、主に光子統計の制限によるものであった。
• 3トンのフル検出器の設置により、初期探索段階で異常パラメータ空間の大部分を95%信頼区間でカバーできると予想される。
• 3年間のデータ取得とエネルギー分解能の向上を実現する高精度探索段階では、異常領域全体、特にsin²(2θ) ≈ 0.1およびΔm² ≈ 1 eV²の最良適合パラメータを含めて、3σの有意性感度に達する見込みである。
• エネルギー分解能の最適化と基準距離の多様性のおかげで、費用を抑えながらも、世界最高のステアイルニュートリノ振動感度を実現している。