[論文レビュー] The COHERENT Experiment at the Spallation Neutron Source

COHERENT Collaboration, D. Akimov+65 more|arXiv (Cornell University)|Sep 29, 2015

Dark Matter and Cosmic Phenomena被引用数 26

ひとこと要約

SNSのCOHERENT実験は、3つの検出器システム（CsI、ゲルマニウム、キセノン）を用いて、高強度の停止π中間子ニュートリノビームを用い、数か月以内に5σの観測を達成する。これは、断面積のN²依存性を確認し、ニュートリノ-核反応を高い精度で測定するもので、SNSの高強度停止π中間子ニュートリノビームを活用している。

ABSTRACT

The COHERENT collaboration's primary objective is to measure coherent elastic neutrino-nucleus scattering (CEvNS) using the unique, high-quality source of tens-of-MeV neutrinos provided by the Spallation Neutron Source (SNS) at Oak Ridge National Laboratory (ORNL). In spite of its large cross section, the CEvNS process has never been observed, due to tiny energies of the resulting nuclear recoils which are out of reach for standard neutrino detectors. The measurement of CEvNS has now become feasible, thanks to the development of ultra-sensitive technology for rare decay and weakly-interacting massive particle (dark matter) searches. The CEvNS cross section is cleanly predicted in the standard model; hence its measurement provides a standard model test. It is relevant for supernova physics and supernova-neutrino detection, and enables validation of dark-matter detector background and detector-response models. In the long term, precision measurement of CEvNS will address questions of nuclear structure. COHERENT will deploy multiple detector technologies in a phased approach: a 14-kg CsI[Na] scintillating crystal, 15 kg of p-type point-contact germanium detectors, and 100 kg of liquid xenon in a two-phase time projection chamber. Following an extensive background measurement campaign, a location in the SNS basement has proven to be neutron-quiet and suitable for deployment of the COHERENT detector suite. The simultaneous deployment of the three COHERENT detector subsystems will test the $N^2$ dependence of the cross section and ensure an unambiguous discovery of CEvNS. This document describes concisely the COHERENT physics motivations, sensitivity and plans for measurements at the SNS to be accomplished on a four-year timescale.

研究の動機と目的

• SNSにおける停止π中間子ニュートリノビームを用いて、高い統計的有意性で共鳴電弱ニュートリノ-核散乱（CEvNS）を測定すること。
• 標準模型の主要な予測である、CEvNS断面積のN²依存性を検証すること。
• 鉛、鉄、銅におけるニュートリノ-核断面積を測定し、CEvNS信号における非弾性ニュートリノ相互作用（NIN）のモデル化と差し引きをより良く行うこと。
• 低温および閃光検出器における低しきい値・高感度ニュートリノ検出の可能性を実証すること。
• 今後のアップグレードの基盤を築くこと。これには、より大きな標的質量とナトリウムヨウ化物やアルゴンといった新素材の導入が含まれる。

提案手法

• SNSの停止π中間子から得られる高強度・低エネルギーのニュートリノビームを用い、電子ニュートリノの良好に特徴付けられた源を提供する。
• 3つの独立した検出器システムを採用：CsI(Tl)閃光結晶、高純度ゲルマニウム検出器、2相キセノンタイムプロジェクションチェンバー。
• 閃光結晶におけるしきい値効果およびエネルギー損失の非線形性を補正するため、クエンチング係数と検出器効率のシミュレーションを適用する。
• アクティブおよびパッシブ遮蔽を用いてバックグラウンドを低減し、バックグラウンドレベルがCEvNS信号の1桁低いと推定されている。
• 系統的不確実性が主にしきい値における18.9%のクエンチング係数の不確実性に起因する統計的解析を実施する。
• ニュートリノフラックスに10%、Pb(νₑ, n)生成率に10%の不確実性を、主要な系統的入力として採用する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 SNSのニュートリノビームと複数の検出器技術を用いて、CEvNSを5σの有意性で観測できるか？
• RQ2 測定されたCEvNS断面積は、標準模型の予測通りに原子質量数の二乗（N²）に比例するか？
• RQ3 鉛、鉄、銅における非弾性ニュートリノ相互作用（NIN）は、検出器信号にどの程度寄与するか。また、それらは正確にモデル化可能か？
• RQ4 検出器のしきい値およびクエンチング係数の不確実性が、CEvNS測定の感度と解釈に与える影響はいかほどか？
• RQ5 CsI、Ge、Xeといった異なる検出器技術は、低エネルギーニュートリノ検出において感度とバックグラウンド抑制の面でどのように比較されるか？

主な発見

• SNSの高ニュートリノフラックスと低バックグラウンドレベルのおかげで、CEvNSの5σ観測はデータ取得開始数か月以内に達成されると予想される。
• CEvNS率における主要な系統的不確実性は13%であり、主にしきい値における18.9%のクエンチング係数の不確実性に起因する。
• バックグラウンドレベルはCEvNS信号の1桁低いと推定されており、高有意性の測定が可能である。
• CsI検出器はすでに設置され稼働中であり、完全な感度に達するまで約3年間のデータ取得が予想されている。
• ゲルマニウム検出器システムは高度に開発中であり、プロジェクトの2年目には最終的な建設と設置が予想され、2年間のデータ取得が必要となる。
• キセノン検出器はFY17末までに稼働開始が予想され、設置前の1年間の純化が必要であり、その大質量と高い統計的パワーのおかげで、3〜6か月で感度に達すると予想されている。