[論文レビュー] SoLAr: Solar Neutrinos in Liquid Argon

Saba Para, Weber, Michele+25 more|arXiv (Cornell University)|Mar 14, 2022

Dark Matter and Cosmic Phenomena被引用数 9

ひとこと要約

SoLArは、液体アルゴン時間飛行連合器（LArTPC）用に、低エネルギー太陽ニュートリノ、特に陽子-陽子連鎖の「hep」分岐を高精度で検出可能な、画期的なモノリシックシリコンピクセルベースの読み出し技術を提案する。この技術はパルス形状特徴抽出によるバックグラウンド抑制と約7%のエネルギー分解能を達成し、hepニュートリノの初観測と10トン級検出器における8Bニュートリノフラックスの高精度測定を可能にする。

ABSTRACT

SoLAr is a new concept for a liquid-argon neutrino detector technology to extend the sensitivities of these devices to the MeV energy range - expanding the physics reach of these next-generation detectors to include solar neutrinos. We propose this novel concept to significantly improve the precision on solar neutrino mixing parameters and to observe the "hep branch" of the proton-proton fusion chain. The SoLAr detector will achieve flavour-tagging of solar neutrinos in liquid argon. The SoLAr technology will be based on the concept of monolithic light-charge pixel-based readout which addresses the main requirements for such a detector: a low energy threshold with excellent energy resolution (approximately 7%) and background rejection through pulse-shape discrimination. The SoLAr concept is also timely as a possible technology choice for the DUNE "Module of Opportunity", which could serve as a next-generation multi-purpose observatory for neutrinos from the MeV to the GeV range. The goal of SoLAr is to observe solar neutrinos in a 10 ton-scale detector and to demonstrate that the required background suppression and energy resolution can be achieved. SoLAr will pave the way for a precise measurement of the 8-B flux, an improved precision on solar neutrino mixing parameters, and ultimately lead to the first observation of hep neutrinos in the DUNE Module of Opportunity.

研究の動機と目的

• 液体アルゴンニュートリノ検出器の物理的探査範囲をMeVエネルギー領域に拡張し、太陽ニュートリノの研究を可能にする。
• 液体アルゴン内での統合的電荷および光読み出しにより、太陽ニュートリノのフレーバー分類を実現する。
• 非常に弱いhepニュートリノフラックスの観測に必要なバックグラウンド抑制およびエネルギー分解能性能を実証する。
• DUNEのモジュールオポチュニティ用10トン級検出器の実現可能性を検証する。
• 振動の不確実性に依存しない、8Bニュートリノフラックスおよび太陽ニュートリノ混合パラメータの高精度測定を可能にする。

提案手法

• SoLAr検出器は、1ピクセルあたり1つのMPPC光検出チャネルと4つの電荷読み出しチャネルを統合したモノリシックな全シリコン読み出しユニットを採用する。
• 光はフィールドケージの背後に位置するX-ARAPUCAを模倣した効率の高い光検出器を含む、6面のうち5面から集光する。
• フィールドケージはDUNEモジュール2（縦方向ドリフト）の概念に基づき、70%透過性の設計を採用し、光透過率を最大化する。
• 両端に放射純度の高い水素化層を有する膜型クライオスタットが、フィducial化を必要とせず、熱的断熱性と中性子緩和効果を提供する。
• 電荷信号と光信号の両方を組み合わせたパルス形状特徴抽出により、電子反動事象とバックグラウンド事象を区別する。
• 検出器の幾何形状は最初のDUNEモジュールを模倣し、有効体積は1.6 m × 2 m × 2.6 mで、液体アルゴン11.5トンを含む。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 モノリシックシリコンピクセルベースの読み出しは、液体アルゴン中でのMeVスケールニュートリノ反応に対して約7%のエネルギー分解能を達成できるか？
• RQ2 パルス形状特徴抽出は、太陽ニュートリノ検出の1–20 MeVエネルギー範囲でバックグラウンドを効果的に抑制できるか？
• RQ3 SoLAr検出器は、現在未検出の低フラックス（約7.98×10³ cm⁻²s⁻¹）であるhepニュートリノフラックスを十分な感度で観測できるか？
• RQ4 統合的電荷-光読み出しにより、従来のワイヤー基盤LArTPCの制限を超えて、液体アルゴン内での太陽ニュートリノのフレーバー分類が可能か？
• RQ5 自己遮蔽および高度な低減アルゴリズムにより、14 MeV以上でバックグラウンドフリーの動作が達成できるか？

主な発見

• SoLArの概念は、数MeVエネルギー領域で約7%のエネルギー分解能を達成し、太陽ニュートリノ成分の正確な同定を可能にする。
• 検出器設計により、パルス形状特徴抽出が実現され、14 MeV以上でバックグラウンドフリーの状態を達成する。
• プロトタイプは8B太陽ニュートリノを5σ以上の有意水準で観測できると予想され、将来的な大規模展開に向けた技術の妥当性が検証される。
• 従来のワイヤー基盤APA読み出しと比較して、光集光効率が4倍向上する。
• SoLAr検出器は、8Bニュートリノフラックスを2.5%の精度で測定可能であり、hepニュートリノフラックスには11%の感度を有する予測である。
• 放射純度の高い水素化層を有する膜型クライオスタット設計により、フィducial化を不要としつつも、効果的な中性子緩和が実現される。