[論文レビュー] Multi-Megaton Water Cherenkov Detector for a Proton Decay Search -- TITAND

Y. Suzuki|ArXiv.org|Oct 2, 2001

Radiation Detection and Scintillator Technologies被引用数 20

ひとこと要約

TITANDは、10 atmの内部圧力を維持する半圧力容器を用い、20%の効率を持つ50 cmのフォトマルチプライヤー管（PMT）を1 m間隔で配置することで、浅い海水中で運用可能なスケーラブルなマルチメガトン級水チェレンコフ検出器を提案する。1 Mtonの検出器では3σの発見感度が約7×10³⁴年、10 Mtonの検出器では約4×10³⁵年に達し、厳密な運動量カットと浮力型・モジュラー構造によって背景率を低減することで、現在の制限を著しく上回る。

ABSTRACT

In this report, we will show a detector which can be used to search for proton decay in the lifetime region beyond 10$^{35}$ years. We will briefly review the current experimental status and discuss the sensitivity of the future proton decay detectors, and we specifically present a possibility of a scalable multi-megaton water Cherenkov detector immersed in the shallow water.

研究の動機と目的

• 10³⁵年以上のプロトン崩壊寿命を探索可能な、スケーラブルで費用対効果に優れたマルチメガトン級水チェレンコフ検出器の開発。
• より厳密な運動量カットと改善されたイベント選別により、現在の検出器の限界を克服し、背景率を低減すること。
• 検出器を移動可能かつモジュラー構造とする設計により、長基線ニュートリノ振動実験や超新星爆発ニュートリノの検出を可能にすること。
• 建設コストを約200万ドル/2.0 Mtonに抑えることで、大規模検出器の実現可能性を高めること。
• 浮力と圧力バランス型容器設計を用いて、浅い海水中で大規模検出器を運用可能かどうかの可能性を検討すること。

提案手法

• 内部水圧を10 atmに保つ半圧力容器設計を採用し、圧力耐性を持つPMTの必要性を排除する。
• 50 cmの直径を持つPMTを20%の効率で使用し、1 m間隔に配置する。これはスーパーカミオカンデおよびカミオカンデと同様の配置である。
• 4つの70×70×100 mのモジュールを陸上で建設し、現場に曳航して、脱塩および精製システムを介して超純水を注入する。
• 外側に2 mの厚さの層を設け、宇宙線ミューオンを検出し背景を抑制するアクティブシールドとして機能させる。
• 背景を低減するために、100 MeV/cの厳密な運動量カットを適用する。これにより、検出効率が低下するが、信号対雑音比が向上する。
• バランスタンクを用いて浮力で浮かせる設計となっており、自己位置決めシステムにより約10 mの精度で位置決めが可能である。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 10³⁵年以上のプロトン崩壊寿命を探索可能なマルチメガトン級水チェレンコフ検出器を、費用対効果に優れ、浅い海水中で運用可能に構築できるか？
• RQ2 検出効率を損なわずに、プロトン崩壊探索における背景抑制をどのように改善できるか？
• RQ3 10 Mtonの検出器に厳密な運動量カットを適用した場合、e⁺π⁰モードにおけるプロトン崩壊の発見感度はどの程度か？
• RQ4 大規模検出器を移動可能かつモジュラー構造として設計することで、ニュートリノ振動実験の遠方検出器として利用可能か？
• RQ5 20%のPMT効率と半圧力容器設計を採用した2.0 Mtonの検出器を建設するにあたり、工学的および費用上の影響は何か？

主な発見

• 1 Mtonの検出器で10年間運用した場合、e⁺π⁰モードにおけるプロトン崩壊の3σ発見感度は、厳密な100 MeV/cの運動量カットを適用することで約7×10³⁴年に達する。
• 10 Mtonの検出器では、同じ条件下で3σ発見感度が約4×10³⁵年に向上する。
• 厳密な運動量カットにより、背景率は標準的なカットと比較して、1 Mton・年あたり約2.2イベントから約0.15イベントにまで低減される。
• 浮力による力のバランスを取ることで、圧力耐性を持つPMTを必要とせず、海水中での浮上運用が可能となる。
• 建設コストは約200万ドル/2.0 Mtonと推定され、大規模検出器の実現に向けたコスト障壁が著しく低下する。
• 超新星ニュートリノバーストに対して感度を示し、アンドロメダ銀河（650 kpc離れている）で超新星が発生した場合、1 Mtonあたり約200イベントの反応が期待される。