[論文レビュー] High Energy Neutrino Physics with Liquid Scintillation Detectors

J. G. Learned|ArXiv.org|Feb 23, 2009

Neutrino Physics Research参考文献 4被引用数 15

ひとこと要約

本稿では、大規模な液体シンチレーション検出器（≥1キロトン）が、フェルマーの原理を用いて光円錐上に到着する最初の光子を特定することにより、高エネルギーニュートリノ反応を方向性および粒子種別解像度で測定可能であると提唱している。この手法により、時間および方向再構成が高精度で実現され、GeVスケールのニュートリノ反応において、スーパーカミオカンデなどの水チェレンコフ検出器と同等またはそれ以上の角運動量およびエネルギー分解能を達成可能である。これにより、長基線ニュートリノ物理学、WIMPの間接検出、および核子崩壊探索への応用が可能となる。

ABSTRACT

Large liquid scintillation detectors have been generally dedicated to low energy neutrino measurements, in the MeV energy region (as for example, KamLAND and Borexino). Herein we describe the potential employment of large detectors (>1 kiloton) for studies of higher energy neutrinos interactions, from the cosmic rays and as a long baseline neutrino detector. Generally when people have considered large new instruments such as Hanohano and LENA, they have abandoned the possibility of doing useful measurements with higher energy neutrino interactions since these produce enough light to illuminate every photomultiplier tube, and the scintillation light is isotropic. Here we take into account Fermat's principle, which tells us that indeed the first light to reach the PMTs will be on or near the lightcone, the "Fermat surface", and that directional track information is available. Moreover we have realized that particle type distinction is possible (quasi-elastic muons from electrons). In fact the resolution from a detector of comparable size to SuperKamiokande, may be better in both angle, energy and possibly particle type. This realization opens the doors to a number of applications. Moreover, this capability can be demonstrated with the use of (future) KamLAND detected events in the new long baseline neutrino beam from the Jaeri accelerator in Japan, due to start operations this year. Some of the most attractive possibilities for the future may be in using Hanohano as a movable long baseline detector in this same beam, the employment of LENA in Europe in future long baseline neutrino beams from CERN, and in the DUSEL underground laboratory at Homestake.

研究の動機と目的

• 大規模な液体シンチレーション検出器が、等方的光放射とPMトランジスタの飽和のため、高エネルギーニュートリノ物理学に不適切であるという仮定に挑戦すること。
• フェルマーの原理が、最初に到着する光子の到着時刻を用いて、高エネルギーニュートリノ反応の方向再構成を可能にすることを示すこと。
• 時間および形状情報の組み合わせにより、液体シンチレーション検出器でミューオンと電子の粒子種別が可能であることを示すこと。
• 将来的な長基線ニュートリノ実験において、大規模な液体シンチレーション検出器が水チェレンコフ検出器の代替または補完として有効であると提唱すること。
• 高エネルギーニュートリノ物理学への応用、特にWIMPの間接検出および核子崩壊探索における可能性を検討すること。

提案手法

• 最初に到着する光子の到着時刻を用いて、フェルマーの原理に基づきニュートリノ反応の進行方向を再構成し、光円錐（フェルマー面）を最初に検出される光子の集合として特定する。
• フォトマルチプライヤー（PMT）からの到着時刻および振幅情報を用いて、サブナノ秒の精度で軌跡方向、エネルギー、反応頂点位置を特定する。
• 高エネルギー反応における初期到着光子の非等方的性質を活用し、等方的光放射にもかかわらず方向および形状情報の抽出を可能にする。
• KamLANDの既存データおよび将来的なビームライン（例：JAERI、CERN、Fermilab）を用いて、長基線ニュートリノビームに対する検出器応答をモデル化する。
• 液体シンチレーション検出器と水チェレンコフ検出器（例：スーパーカミオカンデ）との間で、角分解能、エネルギー分解能、および粒子識別性能を比較する。
• 移動式または固定式の大規模液体シンチレーション検出器（例：Hanohano、LENA）が、将来的な長基線ニュートリノ実験におけるエンドステーションとして実現可能であるかを評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 等方的光放射にもかかわらず、大規模な液体シンチレーション検出器は高エネルギーニュートリノ反応の方向再構成を達成可能か？
• RQ2 最初の光子到着時刻を用いて、大規模なシンチレーション検出器でニュートリノ反応の頂点および進行方向をどの程度正確に特定できるか？
• RQ3 GeVエネルギー領域において、大規模な液体シンチレーション検出器でミューオンと電子の粒子種別が可能か？
• RQ4 高エネルギーニュートリノ反応において、液体シンチレーション検出器と水チェレンコフ検出器の角分解能およびエネルギー分解能は、どの程度比較されるか？
• RQ5 大規模な液体シンチレーション検出器は、長基線ニュートリノ実験および天体的探索において、どのような実用的応用が可能か？

主な発見

• 高エネルギーニュートリノ反応における最初に到着する光子は光円錐（フェルマー面）に従い、到着時刻を用いた高精度な方向再構成が可能である。
• スーパーカミオカンデと同等のサイズの検出器が、高エネルギーニュートリノ反応において水チェレンコフ検出器を上回る角分解能およびエネルギー分解能を達成可能である。
• 最初に到着する光子の時間および形状情報の組み合わせにより、ミューオンと電子の粒子種別が可能である。
• 液体シンチレーション検出器は、水チェレンコフ検出器とは異なり、MeV領域の低エネルギーニュートリノとGeV領域の高エネルギーニュートリノを同時に測定可能である。
• HanohanoおよびLENA検出器は、スケーラビリティと方向感度の両面から、将来的な長基線ニュートリノ実験における実現可能な候補である。
• 本手法により、弱い相互作用による散乱角でさえも、高精度なニュートリノ方向およびエネルギー再構成が可能となり、WIMPの対消滅信号の検出が潜在的に可能となる。