[論文レビュー] Research of the natural neutrino fluxes by use of large volume scintillation detector at Baksan

И. Р. Барабанов, G. Ya. Novikova+2 more|ArXiv.org|Aug 11, 2009

Astrophysics and Cosmic Phenomena参考文献 1被引用数 8

ひとこと要約

本論文は、Baksanニュートリノ観測所（4,800 m.w.e.）に5,000トンの液体シンチレーター検出器を設置し、主にウランおよびトリウムの崩壊から生じる地球内部の自然ニュートリノフラックス（主にジオニュートリノ）を測定することを提案している。副次的な目的として、超新星爆発に伴うニュートリノバーストや太陽ニュートリノの検出も含まれる。検出器は深地中に設置され、多重層の遮蔽を施すことにより、極めて低いバックグラウンドを実現し、ニュートリノ振動、地球の放射性熱エネルギー、および潜在的なジオレアクターの兆候を高統計で測定可能となる。

ABSTRACT

A large volume scintillation detector is supposed to install at Baksan neutrino observatory INR RAS at Caucasus. The detector will register all possible neutrino fluxes, but mainly geo-neutrinos. In the article the neutrino fluxes are discussed and expected effects in proposed detector are estimated. The design and construction of such a detector is expected to be a part of all the world similar detectors net that is under construction in modern times.

研究の動機と目的

• 地球内部のウランおよびトリウムの崩壊に起因するジオニュートリノのフラックスを測定し、地球の熱エネルギー予算における放射性成分を特定すること。
• 地球の核において自然核分裂連鎖反応（ジオレアクター）が存在する仮説を、その源からの反ニュートリノ放出の検出によって検証すること。
• コア崩壊型超新星からのニュートリノバーストを検出すること。ニュートリノ質量階層および振動パラメータの解明に寄与するスペクトルおよび強度解析を実施する。
• 宇宙の歴史を通じて発生したすべての巨大星の重力的崩壊に起因する、等方的ニュートリノバックグラウンドの存在を調査すること。
• 世界中の原子力発電所からの全反ニュートリノフラックスを測定し、既存のニュートリノ振動パラメータを確認すること。

提案手法

• 高い光出力および透明度を示す線形アルキルベンゼン（LAB）を用いた大容量液体シンチレーター検出器（5 ktの標的質量）を採用する。
• 検出器を3層の同心球状構造として構築する：中心部にシンチレーター標的（22.5 mの直径）、その外側にシンチレーションを示さない液体（例：ミネラルオイル）のバッファ層、さらに外側に純水または油からなる遮断層を設ける。遮断層ではミューオンの検出をチェレンコフ光で行う。
• バッファ層のステンレス鋼表面および遮断層にフォトマルチプライヤー管（PMT）を設置し、ニュートリノ反応に起因する光パulsesを検出する。
• ニュートリノ-電子散乱による反跳電子および逆ベータ崩壊（ν̄e + p → e+ + n）に起因する陽電子-中性子一致を検出する。中性子捕獲効率を向上させるために、Gdを0.5–1 g/Lの濃度で添加する。
• 4,800 m.w.e.の深さに設置し、超高純度シンチレーター（純度 ~10−18 g/g）を用いることで、超高いバックグラウンド低減を達成する。BOREXINOと同等の純度水準を想定する。
• 時間的および空間的相関を持つ光信号を用いて、宇宙線ミューオンや内部放射能に起因するバックグラウンド事象を同定・除外する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 地球のマントルおよびコア内でのウランおよびトリウム崩壊に起因するジオニュートリノのフラックスは何か？ また、そのフラックスは惑星の放射性熱フラックスにどのように寄与するか？
• RQ2 地球の核に自然核分裂連鎖反応（ジオレアクター）が存在する場合、その反ニュートリノ放出によって検出可能であるか？ もし可能であれば、そのエネルギースペクトルはどのようなものか？
• RQ3 10 kpc未満の距離で、SN1987Aに類似した超新星ニュートリノバーストのエネルギースペクトルを解像可能か？ これによりニュートリノ質量階層および振動パラメータを推定可能か？
• RQ4 宇宙の歴史を通じて発生したすべてのコア崩壊型超新星に起因する等方的ニュートリノフラックスは何か？ これにより、このような出来事の総数がどのように制限されるか？
• RQ5 地球上のすべての稼働中の原子力発電所からの全反ニュートリノフラックスを測定可能か？ これにより、現在のニュートリノ振動パラメータの妥当性を検証可能か？

主な発見

• 距離約50 kpcの超新星（SN1987Aに類似）では、検出器で約100件のニュートリノ事象が観測され、10 kpc未満の距離ではスペクトル解析が可能である。
• 10 kpcの距離では、超新星バーストに起因する最大1,500件の反ニュートリノ事象が検出可能であり、詳細なスペクトル解析が可能となる。
• BOREXINOの20倍（5 ktの標的質量）の検出器は、7BeおよびCNO太陽ニュートリノフラックスの測定精度を著しく向上させる。
• 標的として4×10^32個の陽子および1.6×10^33個の電子を有することで、低エネルギーニュートリノ反応の高統計的測定が可能となる。
• Gdを添加することで中性子捕獲時間は約200 ms（Gd無し）から30–50 μs（0.5–1 g/L添加）に短縮され、信号の識別性が著しく向上する。
• ジオニュートリノフラックスは、現在の放射性熱の推定値（44 ± 1 TW）とU/Th崩壊による寄与（全熱量の約50%と推定）を区別できる十分な感度で測定可能であると予想される。