[論文レビュー] Neutrino Telescope at Yemilab, Korea

H. Seo|arXiv (Cornell University)|Mar 13, 2019

Neutrino Physics Research参考文献 1被引用数 7

ひとこと要約

本論文は、韓国・耶米ラボで4–5キロトンの水ベース液体シンチレーション（WbLS）ニュートリノ望遠鏡を構築することを提案している。水チェレンコフと液体シンチレーション技術の相乗効果を活用し、低エネルギー感度とエネルギー分解能を向上させる。このプロジェクトは、将来の大規模ニュートリノ実験、特にT2HKK向けにWbLSをスケーラブルなプラットフォームとして実証することを目的としており、ニュートリノ振動、陽子崩壊、マルチメッセンジャー天体物理学への応用が期待される。

ABSTRACT

A new underground lab, Yemilab, is being constructed in Handuk iron mine, Korea. The default design of Yemilab includes a space for a future neutrino experiment. We propose to build a water-based liquid scintillator (WbLS) detector of 4$\sim$5 kiloton size at the Yemilab. The WbLS technology combines the benefits from both water and liquid scintillator (LS) in a single detector so that low energy physics and rare event searches can have higher sensitivities due to the larger size detector with increased light yield. No experiment has ever used a WbLS technology since it still needs some R&D studies, as currently being performed by THEIA group. If this technology works successfully with kiloton scale detector at Yemilab then it can be applied to future T2HKK (Hyper-K 2$^{nd}$ detector in Korea) to improve its physics potentials especially in the low energy region.

研究の動機と目的

• 次世代ニュートリノ検出プラットフォームとして、水ベース液体シンチレーション（WbLS）技術の開発と実証を行う。
• Yemilabに大規模かつキロトンスケールのWbLS検出器を設置し、低エネルギーニュートリノ反応およびレアプロセスへの感度を向上させる。
• 将来の260キロトン規模のT2HKK（韓国におけるHyper-K 2nd検出器）に向け、WbLSを用いた技術的・物理学的デモンストレーターとしての役割を果たす。
• 超新星リlicニュートリノや原子炉ニュートリノ研究を含む、マルチメッセンジャーニュートリノ天体物理学を支援する。
• より広い物理学的探査範囲を実現するため、フォトセンサ（例：LAPPD）の研究開発、電子回路、および中性子タグギング（例：Gdドーピング）を推進する。

提案手法

• 液体シンチレーション（LS）を水に混合することで、LSの高光出力と水の長い減衰長を併せ持つ水ベース液体シンチレーション（WbLS）を活用する。
• 韓国・ハンドク鉱山の1000 m.w.e.の地下施設に、最適化された幾何学的形状と遮蔽を備えた4–5キロトン規模のWbLS検出器を設計する。
• 高速時間応答フォトセンサ（例：LAPPD）を統合し、イベント再構築と粒子同定に高い時間分解能を実現する。
• Gdドーピングによる中性子タグギングを実装し、陽子崩壊および低エネルギーニュートリノ探索におけるバックグラウンドを低減する。
• IBS本部およびYemilabの表面施設でクリーンルーム環境下で、液体の精製、検出器の組立、フロントエンド電子回路に関する研究開発を実施する。
• 既存インfraとTHEIAグループとの協力を活用し、大規模導入に先立ってWbLS技術を熟成する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 WbLS技術は、感度の高い低エネルギーニュートリノ検出に必要な光出力、エネルギー分解能、およびバックグラウンド低減を達成できるか？
• RQ2 WbLSにおける水とLSの組み合わせは、純粋な水チェレンコフ検出器や液体シンチレーション検出器と比較して、主要な物理学チャンネルでどのように性能を向上させるか？
• RQ3 T2HKKのような将来のニュートリノ実験において、WbLSはCP違反やニュートリノ質量順序の測定感度をどの程度向上できるか？
• RQ4 陽子崩壊および原子炉ニュートリノ検出において、Gdドーピングと中性子タグギングの最適パラメータは何か？
• RQ5 Yemilabに設置される4–5キロトン規模のWbLS検出器は、T2HKK計画における260キロトン規模のWbLS検出器の実用的プロトタイプとして成立するか？

主な発見

• Yemilabに設置予定の4–5キロトン規模のWbLS検出器は、純粋な水チェレンコフ検出器と比較して光出力の向上とエネルギー分解能の向上により、優れた低エネルギー感度を達成すると予想される。
• WbLS技術により、水からの方向性のあるチェレンコフ信号とLSからの高光出力を両立させ、両検出器タイプの長所を統合できる。
• LAPPDなどの高速フォトセンサを組み合わせることで、水チェレンコフ検出器よりも低いエネルギー閾値と、液体シンチレーション検出器よりも優れたエネルギー分解能を達成できる。
• YemilabにおけるWbLSの研究開発が成功すれば、Yemilabに50キロトン規模のWbLS検出器を設置可能となり、陽子崩壊および超新星リlicニュートリノ探索の物理学的探査範囲が顕著に拡大される。
• YemilabのWbLS検出器は、将来のT2HKK（韓国におけるHyper-K 2nd検出器）計画における重要な技術デモンストレーターとして位置づけられ、低エネルギー領域における物理学的ポ텐シャルの向上が期待される。
• Gdドーピングによる中性子タグギングは実現可能であり、陽子崩壊および低エネルギーニュートリノ検出におけるバックグラウンド低減に不可欠である。IBSおよびTHEIAとの共同で、現在も研究開発が進行中である。