[論文レビュー] Neutrinos and (Anti)neutrinos from Supernovae and from the Earth in the Borexino detector

L. Miramonti|ArXiv.org|Jul 14, 2003

Neutrino Physics Research被引用数 3

ひとこと要約

本論文は、グランサッソにおけるボレキシノ液体シンチレーター検出器を用いて、超新星および地球内部ニュートリノの検出を調査している。超低バックグラウンドと大規模な有効体積を活かし、U、Th、Kの崩壊からの地上アンチニュートリノを年間約7.8イベントの信号として検出可能であることが示された。一方、反応炉からのアンチニュートリノ背景（年間約29イベント）は、スペクトル形状が明確に異なるため、差し引くことが可能であり、UとThの寄与を分離可能である。

ABSTRACT

The main goal of the Borexino detector, in its final phase of construction in the Gran Sasso underground laboratory, is the direct observation and measurement of the low energy component of neutrinos coming from the Sun. The unique low energy sensitivity and ultra-low background bring new capabilities to attack problems in neutrino physiscs other than solar ones. Investigation about the study of Supernoavae neutrinos and neutrino coming from the Earth (Geoneutrinos) are here resumed.

研究の動機と目的

• コアコラプス超新星からの高エネルギーニュートリノの検出能力を、逆ベータ崩壊および炭素反応を用いて評価すること。
• 地球のクーラスおよびマントルにおけるU、Th、Kの崩壊に起因する地球ニュートリノの検出を、アンチニュートリノシグナルを用いて評価すること。
• イタリアにおける反応炉からのアンチニュートリノ背景を定量的に評価し、除去することで地上アンチニュートリノシグナルを分離すること。
• 大規模でセグメント化されていない液体シンチレーター検出器を用いて、超新星および地球内部からのニュートリノエネルギースペクトルを測定する可能性を検討すること。

提案手法

• 陽子と反ニュートリノの反応（$\bar{\nu}_e + p \rightarrow n + e^+$）を用い、陽電子と2.2 MeVガンマ線の遅延一致を用いてアンチニュートリノイベントを特定する。
• 300トンの液体シンチレーター検出器を用い、100トンの有効体積を確保することで、フォトマルチプライヤーからの外部バックグラウンドを最小限に抑える。
• 段階的遮蔽および超低放射能材料を用いることで、内部バックグラウンドをU/Thで$10^{-16}$ g/g、Kで$10^{-14}$ g/gのレベルに抑える。
• $^{12}$Cにおけるニュートリノ反応（電荷現在（CC）および電荷なし現在（NC）反応）を分析し、励起状態$^{12}$C*の崩壊に伴い発生する15.1 MeVガンマ線を特徴とする。
• 陽電子エネルギーのスペクトル解析を用いて、地球ニュートリノシグナルと反応炉からのアンチニュートリノバックグラウンドを区別する。
• 地球のクーラスおよび反応炉のデータを統合し、アンチニュートリノフラックスをモデル化し、グランサッソでの計算フラックスは$5.9 \times 10^6$ cm$^{-2}$s$^{-1}$、バックグラウンドは$0.65 \times 10^6$ cm$^{-2}$s$^{-1}$である。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ボレキシノは、超新星爆発中の$^{12}$Cにおける中性荷電現在反応から生じる15.1 MeVガンマ線ピークを検出可能か？
• RQ2 ボレキシノ検出器における、地球のクーラスおよびマントル内でのU、Th、Kの崩壊に起因するアンチニュートリノ検出率はどの程度か？
• RQ3 低放射能環境下で、反応炉からのアンチニュートリノバックグラウンドをどのように差し引くことができるか？
• RQ4 U、Th、Kは、ボリュームシリケート地球モデルにおける地球内部の放射熱生成とアンチニュートリノフラックスにそれぞれどの程度寄与しているか？
• RQ5 地球内部におけるアンチニュートリノイベントのスペクトル形状は、UとThの寄与を区別できるか？

主な発見

• ボレキシノは、Cowan-Reines反応を用いて、300トンの検出器で年間約1イベントの感度で超新星アンチニュートリノを検出可能である。
• 検出器は、$^{12}$Cにおける中性荷電現在反応に起因する15.1 MeVガンマ線ピークを特定可能であり、高エネルギーニュートリノバーストの検出が可能である。
• 地球のクーラスおよびマントル内でのU、Th、Kの崩壊に起因する地球ニュートリノの期待検出率は、年間約7.8イベントである。
• 反応炉からのアンチニュートリノバックグラウンドは年間約29イベント寄与しており、そのうち約7.6イベントが地球ニュートリノと同一エネルギー領域に存在するが、スペクトル形状の違いにより効果的に差し引ける。
• グランサッソにおけるアンチニュートリノフラックスは$5.9 \times 10^6$ cm$^{-2}$s$^{-1}$と計算され、K-40崩壊が主因であり、反応炉からのバックグラウンドフラックスは$0.65 \times 10^6$ cm$^{-2}$s$^{-1}$である。
• 地上アンチニュートリノのスペクトル形状により、UとThの寄与を分離可能であり、地球内部の放射熱生成に対する制約が得られる。