[論文レビュー] Technical Design Report (TDR): Searching for a Sterile Neutrino at J-PARC MLF (E56, JSNS2)

S. Ajimura, J. S. Jang+51 more|arXiv (Cornell University)|May 24, 2017

Neutrino Physics Research参考文献 10被引用数 32

ひとこと要約

この技術的設計報告書は、J-PARCのMLFにおけるJSNS2実験を詳述し、液体シンチレーター検出器を用いて、ミューオン反ニュートリノの振動（$ olimits\bar{\nu}_\mu \to \bar{\nu}_e$）を通じたステルラーニュートリノの探索を提案している。設計では、高強度のスパラレーション中性子源、120 mradのビームライン、ジスプロシウムをドープした液体シンチレーターで中性子検出を強化した100トンの検出器を採用している。主な結果として、$ olimits\sin^2 2\theta \sim 10^{-3}$ の感度が $ olimits\Delta m^2 \sim 1$ eV$^2$ に対して予想され、LSND異常の明確な検証が可能となる。

ABSTRACT

In this document, the technical details of the JSNS$^2$ (J-PARC Sterile Neutrino Search at J-PARC Spallation Neutron Source) experiment are described. The search for sterile neutrinos is currently one of the hottest topics in neutrino physics. The JSNS$^2$ experiment aims to search for the existence of neutrino oscillations with $Δm^2$ near 1 eV$^2$ at the J-PARC Materials and Life Science Experimental Facility (MLF). A 1 MW beam of 3 GeV protons incident on a spallation neutron target produces an intense neutrino beam from muon decay at rest. Neutrinos come predominantly from $μ^+$ decay: $μ^{+} o e^{+} + \barν_μ + ν_{e}$. The experiment will search for $\barν_μ$ to $\barν_{e}$ oscillations which are detected by the inverse beta decay interaction $\barν_{e} + p o e^{+} + n$, followed by gammas from neutron capture on Gd. The detector has a fiducial volume of 17 tons and is located 24 meters away from the mercury target. JSNS$^2$ offers the ultimate direct test of the LSND anomaly. In addition to the sterile neutrino search, the physics program includes cross section measurements with neutrinos with a few 10's of MeV from muon decay at rest and with monochromatic 236 MeV neutrinos from kaon decay at rest. These cross sections are relevant for our understanding of supernova explosions and nuclear physics.

研究の動機と目的

• J-PARC MLFのスパラレーション中性子源を用い、ミューオンの静止崩壊により発生する $ olimits\bar{\nu}_\mu$ を高強度で供給し、$ olimits\bar{\nu}_\mu \to \bar{\nu}_e$ 振動を通じたステルラーニュートリノの探索を行う。
• 高い感度で $ olimits\bar{\nu}_\mu \to \bar{\nu}_e$ 振動パラメータを測定することで、LSND異常を検証する。
• 特に $^{12}\text{C}(\nu_e,e^-)^{12}\text{N}$ のニュートリノ誘発核反応截面を測定し、ニュートリノ-核反応の研究を進める。
• 厳しい安全性および構造的要件を満たす高放射線環境下でも安定して動作可能な検出器システムの開発

提案手法

• プロトン誘発スパラレーションターゲットで生成されるミューオンの崩壊-静止により、J-PARC MLFを高強度の $ olimits\bar{\nu}_\mu$ 供給源として利用する。
• ジスプロシウムドーピングを施した液体シンチレーターを用いた100トンの検出器を構築し、$^{157}\text{Gd}(n,\gamma)^{158}\text{Gd}$ の捕獲反応により中性子検出を強化する。
• ステンレス鋼およびアクリルタンク、オイル漏れ防止バリア、緊急用溢流管を含む多層構造の安全対策を実装し、液体シンチレーターを封じ込めることを確保する。
• 磁気シールドとノイズ低減技術を備えたフォトマルチプライヤー管（PMT）システムを採用し、高い信号対雑音比を達成する。
• FEM解析を用いて静的および地震的荷重下での構造的整合性を検証し、ピンとゴム支持台で地震時の検出器のずれを防止する。
• パルス波形識別（PSD）およびエネルギー分解能技術を用い、バックグラウンドと電子型イベントを区別する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 JSNS2実験は、$ olimits\sin^2 2\theta \sim 10^{-3}$ および $ olimits\Delta m^2 \sim 1$ eV$^2$ の条件下で $ olimits\bar{\nu}_\mu \to \bar{\nu}_e$ 振動を十分な感度で検出可能か？
• RQ2 宇宙線、放射性崩壊、ビーム関連プロセスに起因するバックグラウンドの予想レベルはどの程度か？
• RQ3 地震時の荷重および機械的応力に耐えうる検出器の構造的設計は、どのようにして実現されるか？
• RQ4 パルス波形識別およびエネルギー分解能の性能は、$ olimits\bar{\nu}_e$ 衝突による電子型イベントをいかに正確に同定できるか？
• RQ5 PSDおよびエネルギー閾値を用いて、$ olimits\bar{\nu}_e$ イベントを $ olimits\bar{\nu}_\mu$ や $ olimits\bar{\nu}_e$ のバックグラウンドから信頼性高く区別できるか？

主な発見

• 検出器は、$ olimits\Delta m^2 \sim 1$ eV$^2$ に対して $ olimits\sin^2 2\theta \sim 10^{-3}$ の感度を達成すると予想され、LSND異常の検証に十分な性能を有する。
• FEM解析により、検出器構造は地震荷重に耐えうることが確認され、最大応力（91.5 MPa）は許容限界（237.9 MPa）をはるかに下回っている。
• 地震時の最大変位は9.75 mm、最大傾きは1/320であり、両者とも安全マージン内に収まっている。
• 床に検出器を固定するピンシステムは、水平方向の力最大49,750 kgに耐えうると計算され、コンクリートへの圧力は62.2 kg/cm²であり、許容値91.8 kg/cm²を下回っている。
• 検出器の固有振動モードは非常に短周期であるため、通常の地震周波数に対して敏感ではなく、動的応力が低減される。
• 液体シンチレーター系には、大量生産可能なジスプロシウムドーピング型シンチレーターを採用し、高純度および安定性を確保するための最適化された精製および合成プロセスを適用している。