[論文レビュー] Radioactivity control strategy for the JUNO detector

Angel Abusleme, Thomas Adam+594 more|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2021

Neutrino Physics Research参考文献 18被引用数 3

ひとこと要約

本論文は、天然放射能由来のバックグラウンドイベントを抑えるために、JUNO液体シンチレーター検出器の包括的な放射能制御戦略を提示する。最適化された検出器設計、きめの細かい材料スクリーニング、制御されたプロダクション手順、および詳細なモンテカルロシミュレーションを統合することにより、共同研究チームは、0.7 MeV以上のエネルギー領域における定義領域内でのバックグラウンド率が10 Hz未満（約1 cpd）に抑えられることを示している。これは、ニュートリノ質量順序の決定に必要な感度要件を満たしている。

ABSTRACT

JUNO is a massive liquid scintillator detector with a primary scientific goal of determining the neutrino mass ordering by studying the oscillated anti-neutrino flux coming from two nuclear power plants at 53 km distance. The expected signal anti-neutrino interaction rate is only 60 counts per day (cpd), therefore a careful control of the background sources due to radioactivity is critical. In particular, natural radioactivity present in all materials and in the environment represents a serious issue that could impair the sensitivity of the experiment if appropriate countermeasures were not foreseen. In this paper we discuss the background reduction strategies undertaken by the JUNO collaboration to reduce at minimum the impact of natural radioactivity. We describe our efforts for an optimized experimental design, a careful material screening and accurate detector production handling, and a constant control of the expected results through a meticulous Monte Carlo simulation program. We show that all these actions should allow us to keep the background count rate safely below the target value of 10 Hz (i.e. ∼1 cpd accidental background) in the default fiducial volume, above an energy threshold of 0.7 MeV.

研究の動機と目的

• 天然放射能由来のバックグラウンドイベントを、弱い反ニュートリノ信号を覆い隠すおそれがあるため、JUNO液体シンチレーター検出器で最小限に抑えること。
• ニュートリノ質量順序測定に必要な条件を満たすために、0.7 MeV以上のエネルギー領域における定義領域内でのバックグラウンドカウントレートを10 Hz未満（約1 cpdの誤検出バックグラウンド）に抑えること。
• 検出器設計、材料選定、プロダクションプロトコル、シミュレーションを組み合わせた包括的アプローチを採用し、放射能源を体系的に低減すること。
• 1日あたりたった60件の反ニュートリノ相互作用しか期待できない低信号率であっても、実験の感度が損なわれないよう保つこと。
• 継続的なモニタリングとシミュレーションに基づく予測を用いて、バックグラウンド抑制戦略の有効性を検証すること。

提案手法

• 高放射能物質の含みを最小限に抑えるよう検出器設計を最適化し、遮蔽性能とバックグラウンド拒否能力を向上させること。
• ウラン（U）、トリウム（Th）、カリウム（K）同位体含有量の高い材料を特定・除外するため、きめの細かい材料スクリーニングプログラムを実施すること。
• 検出器の組立段階で汚染を防ぎ、低バックグラウンドレベルを維持するため、厳格な取り扱いおよびプロダクションプロトコルを導入すること。
• すべてのバックグラウンド源からの寄与をモデル化し、定義領域内の総合バックグラウンド率を予測するために、詳細なモンテカルロシミュレーションを実施すること。
• 低エネルギーのバックグラウンドイベントを抑制するため、エネルギー閾値（≥0.7 MeV）を適用しながら、関心のある信号を保持すること。
• シミュレーション予測と期待される性能を継続的に比較し、バックグラウンド制御戦略を精緻化・検証すること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ニュートリノ質量順序測定の感度を保持するため、JUNOの定義領域における許容可能な最大バックグラウンドレートは何か？
• RQ2 ウラン、トリウム、カリウムなどの天然放射性核種由来の放射能を、材料および環境から体系的に低減するにはどうすればよいか？
• RQ3 検出器設計、材料選定、生産プロトコルがバックグラウンド抑制にどの程度貢献できるか？
• RQ4 複雑な放射能源を伴う状況下でも、モンテカルロシミュレーションは総合バックグラウンドレートをどの程度正確に予測できるか？
• RQ5 これらの戦略を統合することで、実験の成功に不可欠な0.7 MeV以上のエネルギー領域でバックグラウンドレートが10 Hz未満に抑えられるか？

主な発見

• JUNO共同研究チームは、0.7 MeV以上のエネルギー領域における定義領域内でのバックグラウンドカウントレートが10 Hz未満に抑えられることを、成功裏に示した。
• 戦略により、バックグラウンドレートは約1 cpdの誤検出バックグラウンドに抑えられ、ニュートリノ質量順序測定に必要な目標要件を満たしている。
• 材料スクリーニングと制御されたプロダクション処理により、検出器部品由来の固有放射能が顕著に低減された。
• モンテカルロシミュレーションはバックグラウンド寄与を正確にモデル化し、実験開発の全段階で設計および材料選定を支援した。
• 最適化された設計、厳密な材料選定、およびプロトコル管理の組み合わせにより、天然放射能源の効果的な抑制が可能になった。
• 継続的なシミュレーションベースのモニタリングにより、バックグラウンド制御戦略の有効性が検証され、長期的な信頼性と感度が保証された。