[論文レビュー] Sterile neutrino search at the ILL nuclear reactor: the STEREO experiment

V. Hélaine|arXiv (Cornell University)|Apr 29, 2016

Neutrino Physics Research被引用数 15

ひとこと要約

STEREO実験は、イル・レアクター（ILL）から10 mの基準距離における沸騰炉電子反ニュートリノのエネルギースペクトル歪みを測定することで、ステルラーニュートリノの探索を実施している。6セルのセグメント化、ジルコニウム（Gd）ドープ液状シンチレーター検出器と、アクティブ／パasive遮蔽を備えたこの実験は、1.5の信号対背景比を達成し、2年間のデータ取得で95%信頼水準での反ニュートリノ異常の感度を実現する。

ABSTRACT

Search for a light sterile neutrino is currently a hot topic of neutrino physics, arising from the so-called gallium and reactor anomalies, in which a deficit of neutrinos was observed with respect to expectations. Such anomalies could be explained by short distance oscillations towards a sterile state, with $Δ\mathrm{m}^2\sim$1\,eV$^2$. The STEREO detector has been designed to track the electron anti-neutrino energy spectrum distortion from 3 to 8\,MeV due to such a new $L/E$ oscillation, and should therefore confirm or reject the light sterile neutrino hypothesis. Electron anti-neutrinos produced by the compact reactor core of the Institut Laue-Langevin (ILL) will be detected in a 6-cells segmented volume of Gd-loaded liquid scintillator through the inverse $β$-decay process. The STEREO detector is being set-up and will be commissioned in fall 2016, and start data taking soon after. In this paper we will present the final design of the detector and its status, as well as its expected sensitivity.

研究の動機と目的

• 3ニュートリノ予測と比較して7%の欠損が観測される反ニュートリノ流量の異常を解明すること。
• 短基準距離での振動がΔm² ~ 2.3 eV²のステルラーニュートリノ状態に起因するという仮説を検証すること。
• 流量正規化に依存しない高精度な反ニュートリノエネルギースペクトル測定を実現すること。
• 2年以内に反ニュートリノ異常が許容するパラメータ空間を95%信頼水準で探査すること。
• セグメント化検出器設計と包括的なバックグラウンド抑制により、系統的不確かさを最小限に抑えること。

提案手法

• 電子反ニュートリノの検出に逆ベータ崩壊（IBD）を用いる：$\overline{\nu}_e + p \rightarrow e^+ + n$。
• 2 m³の検出器を6つの同一のセル（40 cm厚さ）にセグメント化し、2 mの基準距離での相対的スペクトル歪みを測定する。
• Gdドープ液状シンチレーターを用いて、8 MeVガンマ線カスケードによる中性子捕獲をタグ付けし、遅延一致検出を可能にする。
• エネルギー分解能と中性子検出効率を向上させるために、外側に40 cm厚の未ドープシンチレーターのクラウンを設置する。
• 宇宙線およびレアクター由来バックグラウンドを抑制するため、アクティブおよびパasive遮蔽（B₄C、 lead、ボレートポリエチレン、ミューオンバリアント）を実装する。
• 水シンチレーションミューオンバリアントとパルス形状識別を用いて、相関するミューオン誘発バックグラウンドを99.5%の効率で除外する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 反ニュートリノ異常は、Δm² ~ 2.3 eV²のステルラーニュートリノ状態への短基準距離振動によって説明可能だろうか？
• RQ2 測定された電子反ニュートリノエネルギースペクトルに、アクティブからステルラーニュートリノへの振動と整合するエネルギー依存性の歪みが観測されるだろうか？
• RQ3 STEREO検出器は、十分なエネルギー分解能とバックグラウンド抑制を達成し、ステルラーニュートリノ仮説を除外または確認できるだろうか？
• RQ4 10 mの基準距離におけるスペクトル歪みに対して、セグメント化検出器設計はどの程度の感度を示すだろうか？
• RQ5 2%のエネルギースケール不確かさを維持しながら、長期間にわたり検出器の安定性とキャリブレーションをどの程度の精度で維持できるだろうか？

主な発見

• STEREO検出器は、2 MeVの陽電子に対して12%のエネルギー分解能を達成することが想定されており、正確なスペクトル測定を可能にする。
• 5 MeVのガンマ線しきい値を設定した場合、中性子検出効率は60%に達すると予想され、IBDイベントの同定に不可欠である。
• キャリブレーション間隔での安定性は1%レベルでモニタリング可能であり、長期的な一貫性を確保する。
• 自動化された放射性核種循環システムを用いることで、エネルギースケールのキャリブレーション不確かさを2%以内に抑えることが可能である。
• アクティブおよびパasive遮蔽の併用により、バックグラウンドが信号対背景比1.5にまで低減され、必要なしきい値を満たしている。
• 300日間で1日あたり400個の反ニュートリノが検出される場合、STEREOは2年以内に反ニュートリノ異常のパラメータ空間を95%信頼水準で探査する。