[論文レビュー] Space-Time Discriminant to Separate Double-Beta Decay from $^8$B Solar Neutrinos in Liquid Scintillator

Runyu Jiang, A. Elagin|arXiv (Cornell University)|Feb 19, 2019

Neutrino Physics Research参考文献 40被引用数 4

ひとこと要約

本論文は、液体シンチレーター検出器におけるニュートリノ質量ゼロの二重ベータ崩壊（0νββ）事象と⁸B太陽ニュートリノ背景を分離するために、チェレンコフ光およびシンチレーション光の到着時刻と角度に基づく空間時間判別子を提案する。空間時間境界を定義し、重み付き球面調和関数解析を適用することで、信号効率90%と70%のそれぞれで背景抑制要因1.3倍および2.3倍を達成した。さらに方向性再構成を組み合わせることで、背景抑制をさらに向上させた。

ABSTRACT

We present a technique for separating double beta-decay from $^8$B solar neutrino interactions in a liquid scintillator detector. The technique uses position and time of photo-electrons (PEs) to separate directional Cherenkov light from isotropic sintillation light in the reconstruction of the kinematics of candidate events. Here we introduce a Cherenkov-scintillation space time boundary defined as the light cone in the 2-dimensional space of the arrival time and the polar angle of each PE with respect to the axis from the center of the detector to the vertex. The PEs located near the boundary correspond to photons that were emitted early and contain a high fraction of directional Cherenkov PEs. We apply weights derived from the distance to the boundary of each individual PE, which are then used in a spherical harmonics analysis that separates the two-track event topology of double-beta decay from the one-track topology of $^8$B events. The Geant-4 simulation assumes a detector of 6.5 m radius filled with $^{130}$Te-loaded liquid scintillator and surrounded by photo-detectors with time and space resolutions of 100 ps and 3 mm respectively. The scintillation properties and photo-detector quantum efficiency are modeled after KamLAND. Assuming a fiducial volume of 3 m radius, a photo-coverage of 65% and vertex resolution of $σ_{r_v} = $ 5.2 cm at 2.53 MeV the method of reconstructing event topology predicts factors of 1.3 and 2.3 in background suppression at 90% and 70% signal efficiency respectively. Additionally, the PEs near the Cherenkov-scintillation space-time boundary can be used to reconstruct the directionality of one-electron candidate events, allowing for further $^8$B background suppression due to the correlation between the direction of the scattered electron and the position of the sun. We find polar and azimuthal angular resolutions of 0.46 and 0.84 radians respectively.

研究の動機と目的

• 大規模な液体シンチレーター検出器がニュートリノ質量ゼロの二重ベータ崩壊を探索する際の⁸B太陽ニュートリノ背景の課題に対処すること。
• 光電子の高分解能時間および位置測定を活用し、二重線跡の0νββ崩壊事象と単一線跡の⁸Bニュートリノ事象を区別する手法を開発すること。
• ⁸B事象における電子線跡からのチェレンコフ光の方向性を活用して、背景抑制を向上させること。
• 太陽との相関を用いて散乱電子の方向性を再構成し、残存背景をさらに抑制すること。
• 将来的な検出器最適化のため、光電子収量や頂点分解能といった検出器パラメータに依存する性能の評価を行うこと。

提案手法

• 検出器中心から頂点軸への角度（極座標角）と光電子（PE）の到着時刻の2次元空間において、チェレンコフ-シンチレーション空間時間境界を定義する。
• 各PEが空間時間境界からの距離に応じて重み付けされ、チェレンコフ成分が強い初期に発光したPEに重点が置かれる。
• 球面調和関数から導かれる回転不変性を持つSスペクトルを用い、重み付きPE分布からイベントトポロジーを再構成する。
• トポロジー特徴に基づいて、最大尤度推定法を用いて二重線跡（0νββ）または単一線跡（⁸B）に分類する。
• 単一電子事象に対して、重み付きPEの角度分布を用いて電子散乱方向を方向性再構成する。
• ⁸B散乱電子の進行方向と太陽の位置の相関関係を活用して、残存背景を抑制する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 光電子の到着時刻および角度分布に基づく空間時間判別子が、液体シンチレーターにおける0νββ崩壊事象と⁸B太陽ニュートリノ事象を効果的に分離できるか。
• RQ2 チェレンコフ-シンチレーション空間時間境界が、トポロジー再構成に適したチェレンコフ光支配の初期光電子をどれほど効果的に特定できるか。
• RQ3 散乱電子の方向性再構成が、⁸B支配の環境下で背景抑制にどの程度寄与するか。
• RQ4 光電子収量および頂点分解能が、トポロジーおよび方向性再構成技術の性能にどのように影響するか。
• RQ5 チェレンコフ光とシンチレーション光の光電子収量効率を向上させることで、背景抑制にどの程度の向上が得られるか。

主な発見

• トポロジー再構成手法は、デフォルトの検出器設定下で、信号効率90%で背景抑制要因1.3倍、70%で2.3倍を達成した。
• 方向性再構成の極座標角分解能は0.46ラジアン、方位角分解能は0.84ラジアンであり、極座標角のRMS誤差は0.49ラジアンであった。
• 光電子収量が65%を超えると、トポロジーおよび方向性再構成性能に顕著な向上効果は得られなくなった。
• チェレンコフ光とシンチレーション光の光電子収量比を向上させることで、信号効率70%での背景抑制が約50%向上した。
• チェレンコフ-シンチレーション空間時間境界は、光電子サンプルにチェレンコフ光を豊富に含ませ、堅牢なトポロジーおよび方向性再構成を可能にした。
• 本手法の性能は液体シンチレーターの物性および光収率系の時間分解能に敏感であるため、将来的な検出器開発では、短い発光波長、長い立ち上がり時間、高時間分解能かつ赤色感度の高いフォトカソードの開発が重要であると考えられる。