[論文レビュー] PROSPECT - A Precision Reactor Oscillation and Spectrum Experiment at Short Baselines

J. Ashenfelter, A. B. Balantekin+64 more|arXiv (Cornell University)|Sep 29, 2013

Nuclear reactor physics and engineering被引用数 19

ひとこと要約

PROSPECTは、高濃縮ウラン研究用原子炉に近接する短基線（7–20 m）で、セグメント化された液体シンチレーション検出器を用いた精度の高い反ニュートリノ実験を提案している。この実験では、235Uの反ニュートリノエネルギースペクトルを測定し、eVスケールの遮へいニュートリノの存在をスペクトル歪みを用いて探索する。実験は高分解能検出、トポロジーに基づくバックグラウンド抑制、および正確なキャリブレーションを組み合わせ、反ニュートリノ異常のモデルを検証するとともに、核物質管理技術の発展を図る。

ABSTRACT

Current models of antineutrino production in nuclear reactors predict detection rates and spectra at odds with the existing body of direct reactor antineutrino measurements. High-resolution antineutrino detectors operated close to compact research reactor cores can produce new precision measurements useful in testing explanations for these observed discrepancies involving underlying nuclear or new physics. Absolute measurement of the 235U-produced antineutrino spectrum can provide additional constraints for evaluating the accuracy of current and future reactor models, while relative measurements of spectral distortion between differing baselines can be used to search for oscillations arising from the existence of eV-scale sterile neutrinos. Such a measurement can be performed in the United States at several highly-enriched uranium fueled research reactors using near-surface segmented liquid scintillator detectors. We describe here the conceptual design and physics potential of the PROSPECT experiment, a U.S.-based, multi-phase experiment with reactor-detector baselines of 7-20 meters capable of addressing these and other physics and detector development goals. Current R&D status and future plans for PROSPECT detector deployment and data-taking at the High Flux Isotope Reactor at Oak Ridge National Laboratory will be discussed.

研究の動機と目的

• 短基線での高精度な235U反ニュートリノスペクトル測定により、反ニュートリノ異常を解消すること。
• 基線長の関数としてのスペクトル歪みを検出することで、eVスケールの遮へいニュートリノ振動の有無を検証すること。
• 将来の原子炉監視応用を想定し、セグメント化された液体シンチレーション検出器の近地表設置を開発・実証すること。
• プロトタイプ検出器を用いて、トポロジーに基づくカットとフィducial化によるバックグラウンド抑制技術の妥当性を検証すること。
• セグメント化検出器セル間における絶対エネルギースケールと相対検出効率の正確なキャリブレーション手法を確立すること。

提案手法

• 高フラックスアイソトープ原子炉（HFIR）から7–20 mの基線にセグメント化された液体シンチレーション検出器を設置し、高統計的反ニュートリノ測定を可能にする。
• パルス波形識別（PSD）とタイミングカットを用いて、電子反ニュートリノイベントとバックグラウンドイベントを区別する。
• トポロジーに基づくバックグラウンド抑制とターゲットフィducial化を実装し、宇宙線および内部放射性バックグラウンドを低減する。
• シンチレーターの特性（Birks係数、光出力など）の詳細なシミュレーションとベンチトップ特性評価を実施し、検出器応答をモデル化する。
• 内部キャリブレーション源および内部放射性バックグラウンド（例えば、アルファ、ガンマ、中性子捕獲）を用いて、相対検出効率とエネルギースケールのキャリブレーションを行う。
• 連続スペクトルを発するベータ崩壊核種を用いて絶対エネルギースケールのキャリブレーションを実施し、検出器応答モデルのテストと改良を行う。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 235U反ニュートリノスペクトルが十分な精度で測定可能であり、モデルと実験データの乖離を解消できるか？
• RQ2 短基線でのスペクトル歪みが、eVスケールの遮へいニュートリノ振動に起因する電子ニュートリノ消失を示唆する証拠として観測可能か？
• RQ3 トポロジーに基づくバックグラウンド抑制とフィducial化が、近地表検出器における感度の高い振動探索に必要なバックグラウンド低減を達成できるか？
• RQ4 プロトタイプ検出器（PROSPECT2およびPROSPECT20）が、完全なPROSPECT設計およびバックグラウンド推定戦略をどの程度まで妥当性検証できるか？
• RQ5 内部およびバックグラウンド源を用いたキャリブレーション技術により、セグメント化された液体シンチレーション検出器における絶対エネルギースケールと相対検出効率がどの程度の精度で達成できるか？

主な発見

• PROSPECT実験は、235U反ニュートリノスペクトルを高精度で測定する設計となっており、現在の原子炉出力モデルの検証に重要な役割を果たす。
• 基線長に依存するスペクトル歪みの測定により、eVスケールの遮へいニュートリノの存在を感度よく探索可能であり、関連する振動パラメータの範囲での感度を有する。
• プロトタイプ検出器（PROSPECT2およびPROSPECT20）を用いて、トポロジーに基づくカットとフィducial化によるバックグラウンド抑制が実証されており、完全実験の実現可能性が裏付けられている。
• 全PROSPECTシミュレーションのベンチマーク化と、最終的な検出器組立の前段階で信頼性のあるバックグラウンド推定を実現するため、検出器およびバックグラウンドの詳細なシミュレーションが進行中である。
• 内部放射性バックグラウンドおよび内部キャリブレーション源を用いたキャリブレーション技術がプロトタイプ化されており、相対的および絶対的エネルギースケールの高精度なキャリブレーションが可能となる。
• HFIR施設での作業に向けた運用手順が確立されており、リモートデータ転送およびランコントロールが実施可能となっており、全検出器システムの効率的導入が可能である。