[論文レビュー] JUNO sensitivity to $^7$Be, $pep$, and CNO solar neutrinos

A. C. Abusleme Hoffman, Thomas Adam+616 more|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2023

Neutrino Physics Research被引用数 5

ひとこと要約

本論文は、放射能純度の異なる状況下で、JUNOが中エネルギー太陽ニュートリノ（7Be、pep、CNO）に対する感度を評価している。10年間の露出時間において、JUNOは周期的変動（BXに類似した状況では0.3%まで）を1%未塔レベルで検出可能となり、現在の限界を著しく上回り、太陽ニュートリノ線密度および振動効果の高精度測定を可能にする。

ABSTRACT

The Jiangmen Underground Neutrino Observatory (JUNO), the first multi-kton liquid scintillator detector, which is under construction in China, will have a unique potential to perform a real-time measurement of solar neutrinos well below the few MeV threshold typical for Water Cherenkov detectors. JUNO's large target mass and excellent energy resolution are prerequisites for reaching unprecedented levels of precision. In this paper, we provide estimation of the JUNO sensitivity to 7Be, pep, and CNO solar neutrinos that can be obtained via a spectral analysis above the 0.45 MeV threshold. This study is performed assuming different scenarios of the liquid scintillator radiopurity, ranging from the most opti mistic one corresponding to the radiopurity levels obtained by the Borexino experiment, up to the minimum requirements needed to perform the neutrino mass ordering determination with reactor antineutrinos - the main goal of JUNO. Our study shows that in most scenarios, JUNO will be able to improve the current best measurements on 7Be, pep, and CNO solar neutrino fluxes. We also perform a study on the JUNO capability to detect periodical time variations in the solar neutrino flux, such as the day-night modulation induced by neutrino flavor regeneration in Earth, and the modulations induced by temperature changes driven by helioseismic waves.

研究の動機と目的

• 複数の放射能純度シナリオにわたって、JUNOが7Be、pep、CNO太陽ニュートリノに対して有する感度を評価すること。
• gモード振動に起因する周期的変動の最小検出可能振幅を特定すること。
• Borexinoなどの既存実験と比較して、ニュートリノ線密度の不確実性をどのように改善できるかを評価すること。
• 210Bi背景に制約を課さずに、CNOニュートリノの個々の成分（13Nおよび16O）を解明できる可能性を検討すること。
• JUNOが、未だかつてないほど高い感度で日中差異およびgモードに起因する変動を検出できる能力を確立すること。

提案手法

• IBD、ベースライン、理想、BXに類似した4つの放射能純度シナリオを用いて、JUNOの液体シンチレーション検出器におけるニュートリノ検出をシミュレートする。
• 周期的変動（数時間から数100日までの周期）を検出するために、Lomb-Scargle周期ogram法を適用する。
• 統計的有意性（3σ）を用いて、最小検出可能振幅（AgMode）を定量化する。
• 統計的誤差伝搬を用いて線密度の不確実性を推定し、Borexinoの経験に基づく制御された系統的誤差を仮定する。
• 背景レベルおよび放射能純度が、7Be、pep、CNOニュートリノ線密度測定の精度に与える影響を評価する。
• 露出時間（最大10年）および放射能純度レベルを変えて結果を比較し、感度の頑健性および閾値を特定する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 10年間のデータ取得後、異なる放射能純度シナリオにおいて、太陽ニュートリノ線密度の周期的変動の最小検出可能振幅（AgMode）はどの程度か？
• RQ2 現実的な放射能純度条件下で、JUNOの7Be、pep、CNOニュートリノ線密度に対する感度は、Borexinoの現在の精度と比べてどの程度向上するか？
• RQ3 210Bi背景に制約を課さずに、CNO線密度の13Nおよび16O成分をJUNOが解明できるか？
• RQ4 特にgモード振動に起因する場合に、変動の感度が周期Tにどの程度依存するか？
• RQ5 JUNOは、日中差異およびgモードに起因する変動に関して、既存の限界に比べてどの程度の改善を達成できるか？

主な発見

• 10年間のデータ取得後、BXに類似した放射能純度シナリオにおいて、JUNOはgモードに起因する変動を0.3%の振幅まで検出可能となる。
• 理想シナリオでは、JUNOは最小検出可能変動を0.4%まで達成し、ベースラインシナリオでは0.8%となる。
• すべての放射能純度シナリオにおいて、6年間のデータ取得で7Beニュートリノ線密度の不確実性を1%レベルまで低減できる。
• pepニュートリノに関しては、6年後の不確実性が放射能純度シナリオに応じて3%から17%まで改善する。
• CNOニュートリノに関しては、6年後に不確実性が12–19%まで低下し、ほとんどのシナリオで210Bi線密度に制約を課さないでよい。
• JUNOは、最も悪い放射能純度シナリオを除き、CNO線密度の個々の13Nおよび16O成分を解明できる。