[論文レビュー] Status Report for the 21th J-PARC PAC : Searching for a Sterile Neutrino at J-PARC MLF (J-PARC E56, JSNS2)

M. Harada, S. Hasegawa+30 more|arXiv (Cornell University)|Jan 6, 2016

Radiation Detection and Scintillator Technologies被引用数 4

ひとこと要約

本論文は、J-PARCのMLFから24メートル離れた位置に設置された50トンの液体シンチレーター検出器を用いて、スタティックニュートリノの探索を目的とするJSNS2実験の現状を報告している。研究では、遅延一致技術を用いて高速中性子の効果的排除と電子ニュートリノ散乱の高い効率を実現し、5年間の運用で背景排除要因4.95 × 10⁻⁴、統計的精度2.7%を達成した。

ABSTRACT

The JSNS2 (J-PARC E56) experiment aims to search for sterile neutrinos at the J-PARC Materials and Life Sciences Experimental Facility (MLF).After the submission of a proposal to the J-PARC PAC, stage-1 approval was granted to the JSNS2 experiment. The approval followed a series of background measurements which were performed in 2014. Subsequent for stage-1 approval, the JSNS2 collaboration has made continuous efforts to write a Technical Design Report (TDR).This TDR will include two major items as discussed in the previous status report for the 20th J-PARC PAC: (1) A realistic detector location (2) Well understood and realistic detector performance using simulation studies, primarily in consideration of fast neutron rejection. Since August we have been in discussions with MLF staff regarding an appropriate detector location. We are also in the process of setting up a Monte Carlo (MC) simulation framework in order to study detector's performance in realistic conditions. In addition, we have pursued hardware R&D work for the liquid scintillator (LS) and to improve the dynamic range of the 10" photomultiplier tubes (PMTs). The LS R&D works includes Cherenkov studies inside the LS, and a Pulse Shape Discrimination (PSD) study with a test-beam, performed at Tohoku University. We also estimate the PSD performance of a full-sized detector using a detailed MC simulation. In this status report, we describe progress on this work.

研究の動機と目的

• J-PARCのMLFで発生するパイオンおよびカイオンの崩壊静止から生じる電子ニュートリノを用いて、eVスケールの質量を有するスタティックニュートリノを探索すること。
• 保守作業エリアとしての非伝統的立地であるMLFの大規模部品取扱い室に安全で実現可能な検出器設置位置を確立すること。
• 液体シンチレーター（LAB + 0.03g/L b-PBD）、PMTのダイナミックレンジ、およびパルス波形分離（PSD）に関する研究開発を通じて、検出器性能を最適化すること。
• バックグラウンドを最小限に抑え、信号効率を最大化することにより、12C(νe,e−)12N反応に対する高い感度を達成すること。
• 高統計的データを用いたニュートリノ誘発核反応截面測定の基盤を築くこと。

提案手法

• 宇宙線ミューオントリガを用いて、LAB + 0.03g/L b-PBDシンチレーターにおけるチェレンコフ光とシンチレーション光の発光タイミングを測定し、両者の時間差を比較する。
• 東北大学でのテストビームデータとフルスケールのモンテカルロシミュレーションを用いて、パルス波形分離（PSD）の研究を行い、中性子の排除能力を評価する。
• 2段階以上のバックグラウンド抑制戦略を実装する：電荷遮断カット、ミケル電子カット、時間・エネルギー窓カット、ΔVTXカット、および寿命カット。
• 主な信号およびバックグラウンド過程の検出効率とバックグラウンド排除要因を推定するためにモンテカルロシミュレーションを用いる。
• 即時信号と遅延信号の時間分布に基づく寿命カットを適用し、ランダム一致を排除する。
• 移動式のβ/γ線源を用いたキャリブレーションと、d(νe,e−p)pおよびd(νe,ν′e n)p反応の直接検出を用いて、フラックス測定の妥当性を検証する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 J-PARCのMLFから24メートル離れた位置に設置された50トンの液体シンチレーター検出器は、12C(νe,e−)12N反応を介してスタティックニュートリノを十分に検出可能な感度を有するか？
• RQ2 LAB + 0.03g/L b-PBDシンチレーターは、バックグラウンド抑制を目的としたチェレンコフ光とシンチレーション光の区別にどの程度適しているか？
• RQ3 パルス波形分離および時間窓カットにより、高速中性子および宇宙線由来のバックグラウンドはどの程度低減可能か？
• RQ4 ニュートリノフラックスおよび検出器応答の推定値の正確性はどの程度か？また、截面測定に影響を及ぼす系統的不確実性は何か？
• RQ5 遅延一致技術を用いることで、12C(νe,e−)12N∗の截面測定精度は向上するか？

主な発見

• すべてのカット（寿命カットを含む）を適用した後、合計の信号効率は14.8%、バックグラウンド排除要因は4.95 × 10⁻⁴に達した。
• 寿命カットのみで、排除要因は0.45であり、12C(νe,e−)12Nの基底状態信号イベントの91%を保持した。
• エネルギー窓カットと時間窓カットは、それぞれバックグラウンドを99.89%および99.99%低減した。ΔVTXカットはバックグラウンド抑制に顕著な寄与を示した。
• LAB + 0.03g/L b-PBDにおけるチェレンコフ光タイミング分解能は、鉱物油 + 0.03g/L b-PBDと同等であり、JSNS2実験に適していることが確認された。
• 1 MW出力で5000時間運用した場合、1年間に予想される12C(νe,e−)12N基底状態イベント数は448であり、すべてのカット後にはわずか138件のバックグラウンドイベントが残存する。
• 5年間のデータを用いることで、12C(νe,e−)12N截面測定の統計的不確実性は2.7%にまで低減され、高精度物理学が可能となる。