[論文レビュー] Intensive neutrino source on the base of lithium converter

Vladimir Lyashuk, Yu. S. Lutostansky|arXiv (Cornell University)|Mar 4, 2015

Particle accelerators and beam dynamics参考文献 9被引用数 3

ひとこと要約

本論文は、リチウムコンバーターにおける⁷Liの中性子捕獲を介して生成される⁸Liのベータ崩壊に基づく、新規で強力な反ニュートリノ源を提案する。高純度の⁷Liまたは重水中のLiODを用い、加速器や原子炉からの強力な中性子源と組み合わせることで、最大13 MeV（平均6.5 MeV）の硬い反ニュートリノエネルギースペクトルを実現する。これは、反ニュートリノ源としての原子炉に比べ、スペクトル不確実性が著しく低減され、高精度ニュートリノ実験の新たな道筋を提供する。

ABSTRACT

An intensive antineutrino source with a hard spectrum (with energy up to 13 MeV, average energy 6.5 MeV) can be realized on the base of beta-decay of short living isotope 8Li (0.84 s). The 8Li isotope (generated in activation of 7Li isotope) is a prime perspective antineutrino source owing to the hard antineutrino spectrum and square dependence of cross section on the energy. Up today nuclear reactors are the most intensive neutrino sources. Antineutrino reactor spectra have large uncertainties in the summary antineutrino spectrum at energy E>6 MeV. Use of 8Li isotope allows to decrease sharply the uncertainties or to exclude it completely. An intensive neutron fluxes are requested for rapid generation of 8Li isotope. The installations on the base of nuclear reactors can be an alternative for nuclear reactors as traditional neutron sources. It is possible creation of neutrino sources another in principle: on the base of tandem of accelerators, neutron generating targets and lithium converter. An intensive neutron flux (i.e., powerful neutron source) is requested for realization of considered neutrino sources (neutrino factories). Different realizations of lithium antineutrino sources (lithium converter on the base of high purified 7Li isotope) are discussed: static regime (i.e., without transport of 8Li isotope to the neutrino detector); dynamic regime (transport of 8Li isotope to the remote detector in a closed cycle); an operation of lithium converter in tandem of accelerator with a neutron-producing target on the base of tungsten, lead or bismuth. Different chemical compounds of lithium (as the substance of the converter) are considered. Heavy water solution of LiOD is proposed as a serious alternative to high-pure 7Li in a metallic state.

研究の動機と目的

• ニュートリノ振動および断面積測定における精度を向上させるために、最大13 MeVの硬いエネルギースペクトルを持つ新規で強力な反ニュートリノ源を開発すること。
• 現在の実験的精度を制限している、6 MeV以上のエネルギー領域における原子炉由来反ニュートリノスペクトルの大きな不確実性を低減すること。
• 原子炉に依存しない、加速器駆動の中性子生成とリチウムベースの⁸Li生成を基盤とする、代替的なニュートリノ源設計の探求。
• 金属状⁷Liや重水中のLiODなどの異なるリチウム化合物が、効率的な⁸Li生成と反ニュートリノ放出に適したコンバーター材料としてどれほど実用的かを評価すること。

提案手法

• ⁷Liを中性子線量で照射し、短寿命の⁸Li（半減期0.84 s）を生成させ、β⁻崩壊によって高エネルギー反ニュートリノを放出する。
• タンドム加速器を用い、タングステン、 lead、ビスマスなどの中性子生成標的に内蔵されたシステムにより、高強度の中性子フラックスを生成する。
• 静的（コンバーターを検出器に固定）と動的（閉ループで⁸Liを遠隔検出器へ搬送）の2つの運用モードを採用し、実験設計の柔軟性を確保する。
• 金属状⁷Liまたは重水中に溶解したLiODをリチウムコンバーターの媒体として用い、重水は中性子減速と化学的安定性の面で利点を有する。
• ⁸Li崩壊の断面積がエネルギーの二乗に比例する性質を活用し、高エネルギー領域での反ニュートリノ出力の最大化を図る。
• 中性子フラックス密度と⁸Li生成効率を最適化することで、バックグラウンドを最小限に抑え、反ニュートリノフラックスを最大化するシステム設計を行う。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 リチウムベースのコンバーター系は、高精度ニュートリノ実験に適した十分な強度の硬いエネルギースペクトル（最大13 MeV）の反ニュートリノフラックスを生成できるか？
• RQ2 金属状⁷Liと重水中のLiODといった異なるリチウム化合物は、⁸Li生成効率と実用性においてどのように比較されるか？
• RQ3 このような源は、原子炉由来の反ニュートリノ源と比較して、6 MeVを超えるエネルギー領域におけるスペクトル不確実性をどの程度低減できるか？
• RQ4 高い出力維持を保証しつつ、動的運用モードで遠隔検出器へ⁸Liを搬送する際の技術的・運用的課題は何か？
• RQ5 加速器駆動の中性子源（例：W/Pb/Bi標的を備えたタンドゥム加速器）は、このようなシステムにおける⁸Li生成のための中性子源として、原子炉に代わる実用的でスケーラブルな代替手段となり得るか？

主な発見

• ⁸Liの崩壊は、最大エネルギー13 MeV、平均エネルギー6.5 MeVの硬い反ニュートリノスペクトルを生成する。これは、一般的な原子炉スペクトルと比べて著しく硬い。
• ⁸Liからの反ニュートリノスペクトルは、断面積がエネルギーの二乗に比例する性質を示し、高エネルギー領域での出力を強化することで、信号対バックグラウンド比の向上が図れる。
• 高純度の⁷Liまたは重水中のLiODをコンバーター媒体として用いることで、化学的・熱的課題を低減しつつ、効率的な⁸Li生成が可能になる。
• 動的搬送モードにより、反ニュートリノ源の遠隔配置が可能となり、新しい実験的配置が実現され、検出器内のバックグラウンドが低減される。
• 提案されたシステムにより、現在の原子炉由来ニュートリノ源が抱える主な制限要因である、E > 6 MeV領域におけるスペクトル不確実性を著しく低減または排除できる。
• 加速器駆動の中性子源（例：W/Pb/Bi標的を備えたタンドゥム加速器）を用いることで、中性子生成のための原子炉に代わる、実用的でスケーラブルな代替手段が得られる。