[論文レビュー] IsoDAR@Yemilab: A Conceptual Design Report for the Deployment of the Isotope Decay-At-Rest Experiment in Korea's New Underground Laboratory, Yemilab

J. Alonso, K. M. Bang+13 more|arXiv (Cornell University)|Oct 20, 2021

Neutrino Physics Research参考文献 35被引用数 5

ひとこと要約

この概念設計レポートは、韓国における新規地下実験施設Yemilabに、静止状態での$^8$Li崩壊を介して高強度で純粋な電子反ニュートリノ($\bar{\nu}_e$)フラックスを生成するコンactなサイクロトロンを用いたIsoDAR実験の設置を概説している。この装置は、2.5トンの液体シンチレーション検出器を用いて逆ベータ崩壊および電子ニュートリノ–電子散乱を通じて、ステアーリングニュートリノの振動と標準模型を越える物理学を高精度でテスト可能であり、低バックグラウンド環境における施設インfra、放射線防護、部品設置の詳細な計画を含む。

ABSTRACT

This Conceptual Design Report addresses the site-specific issues associated with the deployment of the IsoDAR experiment at the Yemilab site. IsoDAR@Yemilab pairs the IsoDAR cyclotron-driven $\barν_e$ source with the proposed Liquid Scintillator Counter (LSC) 2.5 kton detector. This document describes the proposed siting: requirements for the caverns to house the cyclotron, beam transport line, and target systems; issues associated with transport and assembly of components on the site; electrical power, cooling and ventilation; as well as issues associated with radiation protection of the environment and staff of Yemilab who will be interfacing with IsoDAR during its operational phases. The onset of construction of the IsoDAR area at Yemilab, in tandem with the release of this design report, represents a key step forward in establishing IsoDAR@Yemilab.

研究の動機と目的

• 韓国新規地下実験施設Yemilabに、IsoDAR実験を設置するための現場特化型概念設計を確立し、高感度ニュートリノ物理学を可能にする。
• 深地下の洞窟にサイクロトロン、ビーム輸送およびターゲットシステムを設置するにあたり、工学的および安全上の課題に対処する。
• 特に中性子およびガンマ線活性化に起因する放射線被曝を考慮し、建設および運用中の放射線防護および人員の安全を確保する。
• 電子反ニュートリノの振動および弾性散乱の高精度測定を可能にし、ステアーリングニュートリノおよび標準模型を越える新物理を探索する。
• Yemilabに他の低バックグラウンド実験が共存する状況でも、運用に支障をきたさないよう配慮する。

提案手法

• 60 MeV/amuのコンパクトサイクロトロンがH$_2^+$イオンを加速し、ストリッピングにより陽子を生成。生成された陽子は$^9$Beターゲットに照射され、中性子を生成する。
• 生成された中性子が99.99%の同素体純度を有する$^7$Liスリーブで捕獲され、$^8$Liが生成される。$^8$Liは839-msの半減期で、ピークエネルギが約6 MeVの高強度で単エネルギーの$\bar{\nu}_e$フラックスを放出する。
• 2.57 ktonsのフルイドスチルレーションカウンタ(LSC)検出器を17 m（範囲9.5–25.9 m）のベースラインに設置し、逆ベータ崩壊（$\bar{\nu}_e + p \to e^+ + n$）および電子散乱による$\bar{\nu}_e$検出を実施する。
• サイクロトロン、ビーム輸送（MEBT）、ターゲットシステムの専用洞窟を設計し、バックグラウンドと放射線被曝を最小限に抑えるためのシールドおよび換気システムを設ける。
• 段階的な放射線防護戦略を適用し、制限区域、リアルタイムモニタリング、相互作用制御システム、PPE手順を含む。特にビーム停止時のアクセスには厳格な手順を設ける。
• 空気、湿気、地下水の包括的制御を実施。放射能汚染を防止するための封じ込めおよび監視措置を講じる。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 コンパクトサイクロトロン駆動型$\bar{\nu}_e$源は、Yemilabのような深地下実験施設に安全かつ効果的に設置可能であり、他の低バックグラウンド実験に悪影響を及げないか？
• RQ2 石灰岩基盤の地下洞窟に、IsoDAR加速器、輸送、ターゲットシステムを設置するにあたり、重要な現場特化型の工学的要件およびシールド要件は何か？
• RQ3 特に短寿命の活性化生成物および中性子・ガンマ線場に起因する放射線被曝を考慮し、建設および運用中の人員の放射線防護をどのように最適化できるか？
• RQ4 長期的な岩盤活性化の主な要因は何か？また、環境的および人員被曝を最小限に抑えるために、シールドをどのように設計できるか？
• RQ5 2.5トンの液体シンチレーション検出器を、ステアーリングニュートリノ探索および精密電弱測定に必要な感度を達成するために、IsoDAR源と効果的に結合可能か？

主な発見

• IsoDAR@Yemilab実験は技術的に実現可能であり、予想5年間の運転期間、年間$\bar{\nu}_e$フラックスは$1.15 \times 10^{23}$を達成し、高統計的測定が可能となる。
• 最適化されたカットを用いることで、逆ベータ崩壊イベントは約$1.9 \times 10^6$件、電子ニュートリノ–電子弾性散乱イベントは8,000件が予想される。
• サイクロトロンおよびターゲットシステムは80%のドゥーティファクターで稼働設計されており、年間1回のターゲット陽子率は$1.97 \times 10^{24}$に達し、高強度の$\bar{\nu}_e$源を実現する。
• シールド計算により、中性子およびガンマ線放射線レベルを効果的に制御可能であり、サイクロトロン・バーレットおよびターゲット領域は高レベル制御区域として指定される。
• ビーム停止時のアクセスは、ビーム停止相互作用装置、放射線モニタリング、制限区域手順により厳密に管理され、すべての入室者にPPEおよびバッジシステムが義務付けられる。
• 水収集チャネルおよび地下水モニタリングを含む環境制御措置を実施し、放射能汚染を防止する。乾燥した石灰岩環境のため、顕著なリスクは予想されない。