[論文レビュー] Reveal the Mantle and K-40 Components of Geoneutrinos with Liquid Scintillator Cherenkov Neutrino Detectors

Zhe Wang, Shaomin Chen|arXiv (Cornell University)|Sep 12, 2017

Neutrino Physics Research被引用数 2

ひとこと要約

本論文では、太陽ニュートリノの背景を低減するために方向性の感度を活用することで、キロトン規模の液体シンチレーター・チェレンコフ検出器を用いてマントルおよびK-40 地球ニュートリノを検出することを提案する。0.8 MeV未満の検出しきい値を有するこの検出器は、数十個の地球ニュートリノ候補を観測可能であり、マントル成分とK-40 成分の実用的区別が可能となる。

ABSTRACT

In this article we present an idea of using liquid scintillator Cherenkov neutrino detectors to detect the mantle and K-40 components of geoneutrinos. Liquid scintillator Cherenkov detectors feature both energy and direction measurement for charge particles. Geoneutrinos can be detected with the elastic scattering process of neutrino and electron. With the directionality, the dominant intrinsic background originated from solar neutrinos in common liquid scintillator detectors can be suppressed. The mantle geoneutrinos can be distinguished because they come mainly underneath. The K-40 geoneutrinos can also be identified, if the detection threshold for direction measurement can be lower than, for example, 0.8 MeV. According to our calculation, a moderate, kilo-ton scale, detector can observe tens of candidates, and is a practical start for an experiment.

研究の動機と目的

• 方向検出を用いて、マントル由来の地球ニュートリノを他の源から実用的に区別する手法を開発すること。
• 0.8 MeV未満のエネルギーしきい値を下げることで、K-40 地球ニュートリノを方向性測定で特定すること。
• 液体シンチレーター・チェレンコフ検出器における角度分解能を用いて、支配的背景である太陽ニュートリノを低減すること。
• 数十個の地球ニュートリノ候補を観測可能なキロトン規模の検出器の実現可能性を示すこと。
• マントルおよびK-40 成分の地球ニュートリノ検出に向けた実用的な実験的出発点を可能にすること。

提案手法

• ニュートリノ-電子弾性散乱で生成される荷電粒子のエネルギーと方向を両方測定する液体シンチレーター・チェレンコフ検出器を活用する。
• 上向きのイベントに注目することで、主に上空から来るとされる太陽ニュートリノを、方向性の感度を活用して除外する。
• K-40 やマントル崩壊に起因する低エネルギー地球ニュートリノイベントの感度を高めるために、0.8 MeV未満の検出しきい値を適用する。
• 検出器の下に位置するマントル由来の地球ニュートリノは主に下向きのフラックスを示すため、その方向分布に基づいて識別する。
• 中程度のキロトン規模の検出器における候補率の予測をモデル化し、実現可能性を評価する。
• エネルギーと方向情報の組み合わせにより、背景からの地球ニュートリノ信号の分離を実現する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 液体シンチレーター・チェレンコフ検出器は、方向情報を利用することで、太陽ニュートリノ背景を効果的に低減できるか？
• RQ2 方向性検出器でK-40 地球ニュートリノを検出するには、どの程度のエネルギーしきい値が必要か？
• RQ3 マントル由来の地球ニュートリノは、その方位分布に基づいて他の源から区別可能か？
• RQ4 方向性を持つキロトン規模の検出器では、何個の地球ニュートリノ候補が期待できるか？
• RQ5 中程度のスケールの検出器は、マントルおよびK-40 成分の地球ニュートリノ検出に向けた実用的な出発点を提供できるか？

主な発見

• キロトン規模の液体シンチレーター・チェレンコフ検出器は、数十個の地球ニュートリノ候補を観測可能であり、実用的な実験的手法として妥当である。
• 方向性測定により、従来の検出器で支配的である太陽ニュートリノ背景が効果的に低減可能である。
• マントル由来の地球ニュートリノは、主に下向きのフラックスを示すため、源の局在化が可能である。
• 方向性測定のエネルギーしきい値を0.8 MeV未満に下げることで、K-40 地球ニュートリノを検出可能である。
• エネルギーと方向分解能の組み合わせにより、地球ニュートリノスペクトルにおけるマントル成分とK-40 成分の分離が可能である。
• 提案手法は、今後の地球ニュートリノ実験に向けた実用的でスケーラブルな道筋を提供する。