[論文レビュー] Slow-Fluor Scintillator for Low Energy Solar Neutrinos and Neutrinoless Double Beta Decay

Jack Dunger, E. J. Leming+1 more|arXiv (Cornell University)|Mar 2, 2022

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ひとこと要約

本論文は、アセナフテレンを主フローラーとして用いるスローフルオール液体シンチレーション検出器を提案し、大規模検出器におけるチェレンコフ光とシンチレーション光の時間的・方向的分離検出を可能にする。シミュレーションにより、30%のフォトカソード被覆率での検出でも、数キロトン年でCNO太陽ニュートリノ線源を10%未満の精度で測定可能であり、太陽軸に沿った方向性遮断により0νββ探索で太陽ニュートリノ背景を約10倍低減可能であることが示された。

ABSTRACT

The potential for using slow-fluor liquid scintillators to study low energy solar neutrinos and neutrinoless double beta decay (0nbb) is explored through a series of simulations. The fluorescence model assumed for the primary fluor has characteristics similar to acenaphthene, recently used to demonstrate Cherenkov separation at energies around 1 MeV. Results here indicate notably better directional reconstruction in large-scale detectors than has previously been suggested by other approaches, allowing better identification of low energy solar neutrinos. These studies indicate that a detector with as little as ~30% coverage using currently available photomultiplier tubes could be able to make a measurement of the CNO solar neutrino flux to a precision of better than 10% (enough to distinguish metallicity models) with a few kiloton-years of exposure. In terms of 0nbb studies here suggest that the ability to separate mechanisms based on angular distributions is weak, but that the rejection of solar neutrino backgrounds with such a technique might potentially approach a factor of 10 for endpoint energies near 2.5 MeV in the angular hemisphere defined by the solar direction.

研究の動機と目的

• スローフルオールシンチレーション検出器にアセナフテレンを用いることで、低エネルギー太陽ニュートリノおよびニュートリノ無し二重ベータ崩壊（0νββ）の検出可能性を評価すること。
• 時間的分離信号を用いた大規模液体シンチレーション検出器におけるチェレンコフ光の方向再構成性能を評価すること。
• 太陽ニュートリノからの方向情報を利用することで、0νββ実験におけるバックグラウンド低減を定量化すること。
• 方向性感度とエネルギー分解能を最大化するための最適なシンチレーター組成（二次フローラー有無を含む）を特定すること。
• 現実的なPMT被覆率および時間応答を想定した条件下での検出器性能を評価すること。

提案手法

• SNO+のGEANT4ベースのRATソフトウェアパッケージを用いて、反射、屈折、散乱、吸収を含む完全な光子輸送を考慮したシミュレーションを実施した。
• 8.8 m半径の球形アクリル容器（8"ハマムツァ R5912 PMT、77%の有効フォトカソード被覆率）をモデル化し、PMTと容器の間を水で満たしたギャップを設けた。
• シンチレーターは、約45 nsの減衰時間を有するスローフローラーとしてのアセナフテレン（4 g/L）を添加した線形アルキルベンゼン（LAB）としてモデル化した。
• 光子出力の向上と波長の長めへのシフトを図るため、二次フローラーとしてbis-MSB（0または1 mg/L）を試験した。
• PMTのヒット時刻と粒子の進行方向に対する角度の2次元確率密度関数をフィッティングすることで、最大尤度法を用いて同時に頂点位置、時刻、方向を再構成した。
• 0νββにおけるバックグラウンド低減は、太陽半球内と検出器の他の領域における太陽ニュートリノイベントの角度分布を比較することで評価した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 アセナフテレンを用いたスローフルオールシンチレーション検出器は、大規模検出器においてチェレンコフ光とシンチレーション光の間に十分な時間的分離を実現し、方向再構成を可能にするか？
• RQ2 CNO太陽ニュートリノ線源の測定精度を10%未満に抑えるために、どの程度のフォトカソード被覆率が必要か？（数キロトン年での測定を想定）
• RQ3 チェレンコフ光の方向情報は、0νββ実験における太陽ニュートリノバックグラウンドをどの程度低減可能か？
• RQ4 bis-MSBのような二次フローラーの導入は、方向再構成性能およびバックグラウンド遮断にどのような影響を与えるか？
• RQ5 チェレンコフ光の角度分布は、0νββにおける左巻きおよび右巻きのメイオラニュートリノ交換メカニズム（LNE対RHC）を区別できるか？

主な発見

• 商業的に入手可能なHQE-PMTを用いた場合、約30%のフォトカソード被覆率でも、数キロトン年分の積算でCNO太陽ニュートリノ線源の測定精度が10%未満に達する。
• 二次フローラーを追加しないアセナフテレン単体の使用が、散乱を伴わないチェレンコフ光子の検出を最大化し、シンチレーション成分の低減により方向分解能を向上させる。
• 太陽に沿った角度半球において、0νββにおける太陽ニュートリノバックグラウンドは約10倍低減され、高バックグラウンド環境下では信号対バックグラウンド比が約1.6倍向上する。
• 頂点再構成を用いた場合でも、左巻き（LNE）と右巻き（RHC）のメイオラニュートリノ交換メカニズムの区別は弱く、100件の0νββイベント観測時でも1σ未満の分離にとどまる。
• ベンチトップスケールで確認されたチェレンコフ光とシンチレーション光の時間的分離は、10mスケールの検出器でも有効であり、頑健な方向再構成を可能にする。
• 最大尤度フィッティングによる頂点および方向再構成は、PMTヒット時刻と角度の2次元確率密度関数を同時に解くことで、偏りのない推定が可能となる。