[論文レビュー] Status Report (BKG measurement): A Search for Sterile Neutrino at J-PARC MLF

Masahide Harada, S. Hasegawa+32 more|arXiv (Cornell University)|Feb 8, 2015

Neutrino Physics Research参考文献 3被引用数 12

ひとこと要約

本論文は、液体シンチレーター検出器を用いたステルラーニュートリノ探索の可能性を評価する目的で、J-PARCのMLF 3階でのバックグラウンド測定キャンペーンについて報告している。500 kgのプラスチックシンチレーターと小規模な検出器を用いて、ビーム関連の速い中性子と誤 coincidence 背景を測定し、モンテカルロシミュレーションの妥当性を検証した。その結果、最適化された選別カットを用いることで背景率が管理可能であることが確認され、P56実験においてΔm² ≈ 3.0 eV²のステルラーニュートリノ振動に感度を持つことが可能であることが示された。

ABSTRACT

At the 17th J-PARC PAC, which was held on September 2013, we proposed the sterile neutrino search at J-PARC MLF. After reviewing the proposal, PAC recommended to have a background measurement at the detector's candidate site location in their report to investigate whether the background rates can be manageable for the real experiment or not. Therefore, we have performed the background measurements (MLF; 2013BU1301 test experiment) during the summer of 2014, also following the 18th J-PARC PAC recommendations, and the measurements results are described here.

研究の動機と目的

• P56実験の立地であるMLF 3階におけるビーム関連の速い中性子および誤 coincidence 背景率を評価すること。
• 500 kgのプラスチックシンチレーターと小規模な検出器を用いた直接測定により、バックグラウンド率のモンテカルロシミュレーションの妥当性を検証すること。
• 逆ベータ崩壊（IBD）信号を用いたステルラーニュートリノ振動の検出に向けたP56実験の実現可能性を確認すること。
• IBDイベントの背景抑制を図りつつ信号効率を維持するための選別基準を最適化すること。
• P56ステルラーニュートリノ探索における感度推定と実験設計の根拠をデータ駆動で提供すること。

提案手法

• 2014年夏に、500 kgのプラスチックシンチレーターと小規模な検出器（NaI、NE213、プラスチックシンチレーター）を用いて、MLF 3階でバックグラウンド測定を実施した。
• 3.5 μsのゲートウィンドウを用いてビームバッチ効果を回避し、時間的・エネルギー的スライスを施したデータを用いて、ビーム関連の速い中性子および誤 coincidence 背景を測定した。
• PMT波形を65 MHzのFADCシステムでデジタル化し、宇宙線ミューオンピーク（9 MeV、エネルギー分解能18%）を用いてエネルギー校正を実施した。
• 鉛シールド（0、5、10 cm）の配置を用いてガンマ線の遮断性能を測定し、MCモデルの妥当性を検証した。
• 測定されたイベント率およびエネルギースペクトルを用いてMCシミュレーションをキャリブレーションし、4–10 MeV範囲でデータに正規化した。
• P56プロポーザルで提案された選別カットを適用：Δt_prompt（1–10 μs）、Edelayed（6–12 MeV）、Eprompt（20–60 MeV）、Δtdelayed ≤ 100 μs、ΔVtx ≤ 60 cm。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 MLF 3階におけるビーム関連の速い中性子および誤背景率は、P56ステルラーニュートリノ実験の感度要件を満たすように管理可能か？
• RQ2 モンテカルロシミュレーションは、ガンマ線および速い中性子の測定バックグラウンド率とエネルギースペクトルをどの程度正確に再現しているか？
• RQ3 鉛シールドおよび選別カットは、バックグラウンドをどの程度低減しつつIBD信号効率を維持できるか？
• RQ4 ビームおよび宇宙線由来のバックグラウンドレベルは、P56プロポーザルの仮定と整合しているか、それとも見直しが必要か？
• RQ5 P56検出器構成において、ガンマ線および中性子バックグラウンドに対する遮蔽および選別カットの有効な遮断能力は何か？

主な発見

• 測定されたビーム関連の速い中性子率は1.12 × 10⁻³ Hz（統計誤差±0.04 × 10⁻³ Hz）であり、MC予測の1.12 × 10⁻³ Hzと良好に一致した。
• ガンマ背景率は4–10 MeV範囲で1.18 ± 0.04 × 10⁻³ Hzであり、MC予測の0.95 × 10⁻³ Hzと20%以内で一致した。
• ガンマ背景のMCモデルは妥当性を確認した：全鉛シールド配置において、遮断性能およびエネルギースペクトルが測定結果と一致した。
• 5 cmおよび10 cmの鉛シールドは、ガンマ線由来イベントをそれぞれ12.5倍および15.5倍に低減した。これは効果的な遮蔽を示している。
• P56プロポーザルの全選別カットを適用した後、50トンのフィducialマスに対して4年間で合計37イベントのバックグラウンド率が推定され、プロポーザルのベースラインと整合した。
• MCシミュレーションの妥当性と測定バックグラウンド率の両方が確認されたことから、Δm² ≈ 3.0 eV²、sin²2θ ≈ 3.0 × 10⁻³のステルラーニュートリノの検出にP56実験が実現可能であることが裏付けられた。