[論文レビュー] Status Report for the 20th J-PARC PAC : A Search for Sterile Neutrino at J-PARC MLF (J-PARC E56, JSNS2)

Masahide Harada, S. Hasegawa+29 more|arXiv (Cornell University)|Jul 25, 2015

Neutrino Physics Research参考文献 3被引用数 7

ひとこと要約

本論文は、J-PARCにおけるJSNS2実験の研究開発状況を報告しており、液体シンチレーション検出器を用いた逆ベータ崩壊を介したステルラーニュートリノの検出を目的としている。チェレンコフ光とパルス形状識別（PSD）を用いて、宇宙線由来の速い中性子を100倍の効率で遮断することに成功した。また、制限された検出器形状におけるコンactな高密度光読み出しのため、SiPMの試験も実施している。

ABSTRACT

On April 2015, the J-PARC E56 (JSNS2: J-PARC Sterile Neutrino Search using neutrinos from J-PARC Spallation Neutron Source) experiment officially obtained stage-1 approval from J-PARC. We have since started to perform liquid scintillator R&D for improving energy resolution and fast neutron rejection. Also, we are studying Avalanche Photo-Diodes (SiPM) inside the liquid scintillator. In addition to the R&D work, a background measurement for the proton beam bunch timing using a small liquid scintillator volume was planned, and the safety discussions for the measurement have been done. This report describes the status of the R&D work and the background measurements, in addition to the milestones required before stage-2 approval.

研究の動機と目的

• 液体シンチレーション検出器において、宇宙線由来の速い中性子を高効率で遮断することで、希少なステルラーニュートリノ信号の検出を可能にする。
• 液体シンチレーション検出器におけるチェレンコフ光とパルス形状識別（PSD）技術の定量的性能を、粒子識別に応用する。
• 空間的制約のある検出器設計において、SiPM（APD）をコンactで高密度に配置可能な光検出器としての実現可能性を評価する。
• 1.6Lの液体シンチレーション検出器を用いて、陽子ビームのパルスタイミングに伴うバックグラウンドを特徴づける測定を実施する。
• 50トン、1 MWビーム運転条件における高エネルギー分解能と低バックグラウンドを実現する検出器設計の最適化を行う。

提案手法

• 水または希釈シンチレーターで満たされた10Lの円筒型プロトタイプを用いて、チェレンコフ光とシンチレーション光の時間差を確認するためのチェレンコフ光タイミング測定を実施した。
• Gdドープ液体シンチレーター（GdLS）におけるパルス形状識別（PSD）のテストとして、0.1Lのプロトタイプを用い、陽子（速い中性子）と陽電子（IBD事象）の信号波形を比較した。
• ミネラルオイルおよび液体シンチレーター（LAB）中に3種類のMPPC SiPM（S-10362シリーズ）を浸漬し、長期安定性と窓の健全性を評価した。
• PSD最適化のため、500 MS/s以上のサンプリングレートと10ビット以上の分解能を持つフラッシュADCを用いて、シンチレーション光波形を高精度に再構築した。
• MLF3階での1.6L液体シンチレーション検出器を用いて、陽子ビームパルスタイミング中の粒子フラックスを特徴づけるバックグラウンド測定を実施した。
• 今後の計画では、光の減衰、反射、バーテックス再構築効果を考慮したフルスケール検出器のPSD性能のMCシミュレーションを実施する予定である。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 液体シンチレーション検出器におけるチェレンコフ光検出は、LSNDで示されたように、宇宙線由来の速い中性子を100倍の効率で遮断できるか？
• RQ2 Gdドープ液体シンチレーション検出器におけるパルス形状識別（PSD）は、チェレンコフベースの手法を超えて、中性子遮断を独立して向上させられるか？
• RQ3 液体シンチレーション（LAB）またはミネラルオイルに浸漬されたSiPM（MPPC）の長期的性能と放射線安定性はいかほどか？
• RQ4 光の減衰、タンクの反射、バーテックス再構築の歪みが、大規模検出器におけるPSD性能に与える影響は何か？
• RQ5 陽子ビームパルスタイミングの窓中に実際に観測されるバックグラウンドフラックスはどの程度か？また、中性子とガンマ線の識別（例：粒子識別）によってこれを低減できるか？

主な発見

• 10Lプロトタイプを用いたチェレンコフタイミング法により、速い中性子の100倍の遮断が達成され、この手法がJSNS2に実用可能であることが確認された。
• 0.1Lプロトタイプを用いたGdドープ液体シンチレーション検出器におけるパルス形状識別（PSD）では、陽子事象と陽電子事象の明確な分離が得られ、PSDの図形的指標（FOM）は0.85であった。
• 液体シンチレーション（LAB）に露出されたSiPM（MPPC）は、特にシリコン窓を有するセラミックパッケージにおいて、24時間以内に窓の変形と曇りを示した。
• 1.6L検出器のバックグラウンド測定は計画および安全レビューが完了したが、施設の事故（火災、冷却システムの問題）のため、まだ実施されていない。
• チェレンコフ光による100倍の速い中性子遮断が確認され、小型プロトタイプで100倍のPSD遮断が実証されたことから、合計で100倍の遮断が成立すると仮定できる。
• 今後の検出器最適化では、光の反射低減、時間分解能の向上（500 MS/s以上）、光出力の向上およびバーテックス再構築の改善に注力する必要がある。