[論文レビュー] The COHERENT Experimental Program

D. Akimov, S. Alawabdeh+129 more|arXiv (Cornell University)|Apr 10, 2022

Dark Matter and Cosmic Phenomena被引用数 7

ひとこと要約

オールドリッジ国立研究所のスパリケーション中性子源（SNS）におけるCOHERENT実験は、高強度・高純度の中性子ビームを用いて、セシウムヨウ化物とアルゴンにおける coherent elastic neutrino-nucleus scattering（CEvNS）の最初の測定を達成した。このプログラムは、次世代の検出器とSNSのビーム出力の向上を活用して、標準模型の高精度な検証および、ダークマター、ステアラ中性子、axion-like粒子を含む標準模型を超える物理現象の探索を継続している。

ABSTRACT

The COHERENT experiment located in Neutrino Alley at the Spallation Neutron Source (SNS), Oak Ridge National Laboratory (ORNL), has made the world's first two measurements of coherent elastic neutrino-nucleus scattering (CEvNS), on CsI and argon, using neutrinos produced at the SNS. The COHERENT collaboration continues to pursue CEvNS measurements on various targets as well as additional studies of inelastic neutrino-nucleus interactions, searches for accelerator-produced dark matter (DM) and physics beyond the Standard Model, using the uniquely high-quality and high-intensity neutrino source available at the SNS. This white paper describes primarily COHERENT's ongoing and near-future program at the SNS First Target Station (FTS). Opportunities enabled by the SNS Second Target Station (STS) for the study of neutrino physics and development of novel detector technologies are elaborated in a separate white paper.

研究の動機と目的

• セシウムヨウ化物やアルゴンを含む複数の核種標的にCEvNSを測定し、標準模型の検証および新物理の探査を目的とする。
• 感度を向上させたCEvNS検出器を用いて、加速器で生成されるダークマターおよびステアラ中性子の探索を目的とする。
• 低エネルギー中性子-核反応における非弾性反応および核構造効果の研究を目的とする。
• トン級液体アルゴンTPC、低温蛍光体、高純度ゲルマニウムアレイなどの次世代検出器の開発および導入を目的とする。
• 99％を超えるDAR純度を有するSNSの高品質・停止崩壊中性子ビームを活用し、バックグラウンドを最小限に抑え、正確な測定を可能にする。

提案手法

• パイオンドリフト崩壊（DAR）により、SNSの高強度パルス型陽子ビームを用いて中性子を生成し、クリアでタイミングの取れた中性子源を実現し、バックグラウンドを低減する。
• エネルギー閾値が1 keV未塔の低閾値・低バックグラウンド検出器（NaI(Tl)、CsI、高純度ゲルマニウム（HPGe）結晶）を用いて、CEvNSによる核反発を検出する。
• 標準模型におけるCEvNS断面積の予測式を適用：$\frac{d\sigma}{dT} = \frac{G_F^2 M}{2\pi} \left[ (G_V + G_A)^2 + (G_V - G_A)^2 \left(1 - \frac{T}{E_\nu}\right)^2 - (G_V^2 - G_A^2) \frac{MT}{E_\nu^2} \right]$、ここで$G_V$および$G_A$は中性子および陽子の含有量および核の形因子に依存する。
• 低温技術および蛍光検出技術を応用し、低温無ドーピングCsIおよび液体アルゴンタイムプロジェクションチェンバー（LAr TPC）を導入することで、エネルギー分解能の向上およびバックグラウンド抑制を実現する。
• アクティブなミューオン遮断システムおよび深地下遮蔽を用いて、宇宙線および放射性バックグラウンドを低減する。
• 放射性核種を用いた正確なキャリブレーションおよびイン・サイトモニタリングを実施し、エネルギースケールの正確性および検出器の安定性を確保する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 セシウムヨウ化物およびアルゴンにおけるCEvNS断面積は何か？ また、標準模型の予測と一致するか？
• RQ2 CEvNS測定は、標準模型以外の相互作用（NSI）や標準模型を超える新物理を制限できるか？
• RQ3 SNSで生成される低質量ダークマター粒子に対するCEvNS検出器の感度はどの程度か？
• RQ4 CEvNSデータは、ステアラ中性子や非弾性中性子-核反応の証拠を示せるか？
• RQ5 核の形因子およびクエンチング効果は、低エネルギー核反発に対して異なる蛍光体および半導体検出器の応答にどのように影響を与えるか？

主な発見

• COHERENTは2017年に世界で初めてセシウムヨウ化物におけるCEvNSの観測に成功し、標準模型の予測が数パーミルレベルで一致することを確認した。
• 2020年、COHERENTはアルゴンにおけるCEvNSの最初の測定を報告し、低エネルギー中性子検出にナイトロジェン液体を用いる可能性を示した。
• コラボレーションは、ニュートリノ・アリーナに2トンのNaI(Tl)検出器および18 kgの高純度ゲルマニウム検出器を設置し、全強度の正規化およびバックグラウンド研究のためのデータ収集を実施している。
• COHERENTプログラムは、750 kgの液体アルゴン蛍光体キャリブレーター（COH-Ar-750）および1トンのNaI(Tl)検出器（COH-NaI-2）の開発を進行中であり、両者ともCEvNSおよびダークマターに高い感度を持つように設計されている。
• 低温無ドーピングCsI蛍光体（COH-CryoCsI-1）は開発中であり、光出力の向上およびクエンチング係数の正確な特定を図り、エネルギー分解能の向上を図っている。
• SNSは2025年までに2 MWのビーム出力に達する見込みであり、2030年代には第二のターゲットステーションが計画されており、最終的に2.8 MWの出力が得られ、物理学的探査範囲が著しく拡大する。