[論文レビュー] JUNO Physics and Detector

Angel Abusleme, Thomas Adam+605 more|arXiv (Cornell University)|Apr 7, 2021

Neutrino Physics Research参考文献 158被引用数 9

ひとこと要約

JUNOは、700 mの深度に位置する20-ktonの液体シンチレーター検出器を提案し、高精度でニュートリノの性質を研究する。反反ニュートリノを用いて、ニュートリノ質量順序を3–4σの感度で特定し、振動パラメータを0.6%の精度で測定する。10年間のデータを用いることで、3σの感度で拡散超新星ニュートリノ背景（DSNB）を検出可能であり、陽子崩壊、太陽ニュートリノ、地球ニュートリノの研究も可能である。

ABSTRACT

The Jiangmen Underground Neutrino Observatory (JUNO) is a 20 kton LS detector at 700-m underground. An excellent energy resolution and a large fiducial volume offer exciting opportunities for addressing many important topics in neutrino and astro-particle physics. With 6 years of data, the neutrino mass ordering can be determined at 3-4 sigma and three oscillation parameters can be measured to a precision of 0.6% or better by detecting reactor antineutrinos. With 10 years of data, DSNB could be observed at 3-sigma; a lower limit of the proton lifetime of 8.34e33 years (90% C.L.) can be set by searching for p->nu_bar K^+; detection of solar neutrinos would shed new light on the solar metallicity problem and examine the vacuum-matter transition region. A core-collapse supernova at 10 kpc would lead to ~5000 IBD and ~2000 (300) all-flavor neutrino-proton (electron) scattering events. Geo-neutrinos can be detected with a rate of ~400 events/year. We also summarize the final design of the JUNO detector and the key R&D achievements. All 20-inch PMTs have been tested. The average photon detection efficiency is 28.9% for the 15,000 MCP PMTs and 28.1% for the 5,000 dynode PMTs, higher than the JUNO requirement of 27%. Together with the >20 m attenuation length of LS, we expect a yield of 1345 p.e. per MeV and an effective energy resolution of 3.02%/\\sqrt{E (MeV)}$ in simulations. The underwater electronics is designed to have a loss rate <0.5% in 6 years. With degassing membranes and a micro-bubble system, the radon concentration in the 35-kton water pool could be lowered to <10 mBq/m^3. Acrylic panels of radiopurity <0.5 ppt U/Th are produced. The 20-kton LS will be purified onsite. Singles in the fiducial volume can be controlled to ~10 Hz. The JUNO experiment also features a double calorimeter system with 25,600 3-inch PMTs, a LS testing facility OSIRIS, and a near detector TAO.

研究の動機と目的

• 6年間の原子炉反ニュートリノデータを用いて、3–4σの有意水準でニュートリノ質量順序を特定すること。
• 原子炉反ニュートリノ検出を用いて、3つのニュートリノ振動パラメータを0.6%以上の精度で測定すること。
• 10年間のデータを用いて、3σの有意水準で拡散超新星ニュートリノ背景（DSNB）を観測すること。
• p→ν̄K⁺崩壊の探索により、陽子の寿命の下限を8.34×10³³年（90%信頼水準）に設定すること。
• 高分解能による低エネルギーニュートリノの検出を用いて、太陽ニュートリノと太陽の金属量問題を研究すること。

提案手法

• 20,000個の20インチフォトマルチプライヤー管（PMT）を備えた20-ktonの液体シンチレーター（LS）検出器を用いて、高い光子検出効率を実現する。
• MCP-PMTでは28.9%、ダイオード-PMTでは28.1%の光子検出効率を達成し、27%の要件を上回る。
• 脱ガス膜とマイクロバブルシステムを備えた35-ktonの水プールを用いて、ルビジウム濃度を<10 mBq/m³に低減する。
• ウラン・トリウム含有量が0.5 ppt未満の放射線純度の高いアクリルパネルと現地でのLS精製を用いて、バックグラウンドを最小限に抑える。
• 25,600個の3インチPMTを備えた二重カルオリメーターシステムと近接検出器（TAO）を用いて、キャリブレーションと相互検証を実施する。
• 20 m以上の減衰長を有するLSを用いて、有効エネルギー分解能を3.02%/√E（MeV）および光子生成量を1345 p.e./MeVとしてシミュレーションする。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 6年間の原子炉反ニュートリノデータを用いて、3–4σの有意水準でニュートリノ質量順序を特定できるか？
• RQ2 10年間のデータを用いて、拡散超新星ニュートリノ背景（DSNB）を3σの有意水準で検出できるか？
• RQ3 JUNOでp→ν̄K⁺崩壊の探索を実施した場合、陽子寿命にどの程度の下限を設定できるか？
• RQ4 十分なエネルギー分解能を有する太陽ニュートリノを検出可能であり、太陽の金属量問題を解明できるか？
• RQ5 10 kpcの距離にあるコアコリプス超新星で予想されるニュートリノイベントレートはどの程度か？また、バックグラウンドと区別可能か？

主な発見

• 6年間のデータを用いることで、JUNOは3–4σの有意水準でニュートリノ質量順序を特定可能であり、振動パラメータの測定精度は0.6%以上を達成する。
• 10年間のデータを用いることで、拡散超新星ニュートリノ背景（DSNB）を3σの有意水準で観測可能である。
• p→ν̄K⁺崩壊の探索により、陽子寿命の下限を8.34×10³³年（90%信頼水準）に設定可能である。
• 10 kpcの距離に位置するコアコリプス超新星では、約5,000件の逆ベータ崩壊（IBD）および2,000件（300件）の全フレーバーのニュートリノ-陽子散乱イベントが発生する。
• 高い放射線純度と大きな有効体積のおかげで、地球ニュートリノは年間約400件のイベントレートで検出可能である。
• シミュレーションによる有効エネルギー分解能は3.02%/√E（MeV）、光子生成量は1,345 p.e./MeVを達成しており、設計目標を上回っている。