[論文レビュー] Future Reactor Experiments

Miao He|arXiv (Cornell University)|Oct 28, 2013

Neutrino Physics Research参考文献 3被引用数 4

ひとこと要約

本論文は、中国の複数の原子炉から53 km離れた場所に設置される20キロトンの液体シンチレーター検出器、JUNO実験を提案する。この実験は、ニュートリノ質量階層を決定し、混合パラメータを1%未塔の精度で測定することを目的としている。反ニュートリノエネルギースペクトルにおける2つの振動モードの干渉を活用することで、エネルギー分解能3%と自己校正技術を用いて検出器応答の非線形性を低減することで、質量階層決定にΔχ² > 16の感度を達成する。

ABSTRACT

The measurement of the neutrino mixing angle $θ_{13}$ opens a gateway for the next generation experiments to measure the neutrino mass hierarchy and the leptonic CP-violating phase. Future reactor experiments will focus on mass hierarchy determination and the precision measurement of mixing parameters. Mass hierarchy can be determined from the disappearance of reactor electron antineutrinos based on the interference effect of two separated oscillation modes. Relative and absolute measurement techniques have been explored. A proposed experiment JUNO, with a 20 kton liquid scintillator detector of $3%/$$\sqrt{E(MeV)}$ energy resolution, $\sim$ 53 km far from reactors of $\sim$ 36 GW total thermal power, can reach to a sensitivity of $Δχ^{2}>16$ considering the spread of reactor cores and uncertainties of the detector response. Three of mixing parameters are expected to be measured to better than 1% precision. There are multiple detector options for JUNO under investigation. The technical challenges are new type of PMTs with high efficiency and highly transparent liquid scintillator. Funding has been approved from Chinese Academy of Sciences. A similar proposal was from Korea known as RENO-50. Both of them are going to start data taking around 2020.

研究の動機と目的

• 反ニュートリノのエネルギースペクトル測定を用いて、中間基準距離の反ニュートリノ実験によりニュートリノ質量階層を高精度で決定すること。
• 3つのニュートリノ混合パラメータの測定精度を1%未塔に達成すること。
• 液体シンチレーター検出器のエネルギー非線形性を補正するための自己校正技術の開発と検証すること。
• CP位相に依存しない質量階層測定を提供することで、リプチンCP違反の測定に向けた世界的な取り組みを支援すること。
• 高効率のPMtと高透過性の液体シンチレーターを用いて検出器技術を前進させること。

提案手法

• 1 MeVにおけるエネルギー分解能3%を有する20キロトンの液体シンチレーター検出器を用いて、原子炉の電子反ニュートリノのエネルギースペクトルを測定する。
• 基準距離/エネルギー（L/E）スペクトルにフーリエ変換を適用し、Δm²₃₁およびΔm²₃₂からの干渉ピークを特定することで、振動周波数の情報を強化する。
• クエンチングおよびチェレンコフ効果に起因するエネルギー非線形性を補正するため、冗長な振動サイクルを用いた自己校正を実装する。
• 逆ベータ崩壊イベントを同定するため、即時陽電子信号と遅延中性子捕獲信号の二重トリガー方式を採用する。
• 35%の量子効率とほぼ4πの受光効率を有するマイクロチャネルプレート型フォトマルチプライヤー（MCP-PMT）を用い、光収率を最大化する。
• 高度な精製技術を適用し、液体シンチレーターの430 nmにおける減衰長を24 mに達成する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 中間基準距離の反ニュートリノ実験を用いて、中程度の精度でニュートリノ質量階層を高信頼性で決定できるか？
• RQ2 質量階層感度にΔχ² > 16を達成するには、どの程度のエネルギー分解能と検出器カバレッジが必要か？
• RQ3 外部キャリブレーションなしで液体シンチレーター検出器のエネルギー非線形性をどのように補正できるか？
• RQ4 現在の反ニュートリノ実験を上回る精度で、混合パラメータの測定精度をどの程度向上できるか？
• RQ5 大規模な液体シンチレーター検出器で3%のエネルギー分解能と高い光収率を達成するために、どのような技術的進歩が必要か？

主な発見

• 干渉による振動スペクトルの特徴を活用した理想状態（1基の原子炉と検出器）において、JUNOはニュートリノ質量階層決定にΔχ² > 16の感度を達成する。
• 実験では3つの混合パラメータを1%未塔の精度で測定できると予想され、現在の測定を著しく改善する。
• 複数の振動サイクルを用いた自己校正により、エネルギー非線形性の影響が軽減され、分解能が不完全であっても感度が維持される。
• 35%の量子効率と反射型光電子源を有するMCP-PMTの使用により、光収率が向上し、20インチの管を用いて80%のPMtカバレッジを実現できる。
• 精製を経て、液体シンチレーターの430 nmにおける減衰長は24 mに達し、高い光出力とエネルギー分解能を実現する。
• 誤検出背景はIBD信号の10%未塔と推定され、正確に測定可能であり、バスタブ系を用いて宇宙線ミューオン背景は1%未塔に抑制される。