[論文レビュー] The Double Chooz antineutrino detectors

Double Chooz Collaboration, H. de Kerret+249 more|arXiv (Cornell University)|Jan 31, 2022

Neutrino Physics Research被引用数 1

ひとこと要約

Double Chooz実験は、2つの原子炉コアから発生する反ニュートリノを用いてニュートリノ混合角 θ₁₃ を測定するため、2つの非常に安定で同一の反ニュートリノ検出器を設置した。近い（400 m）と遠い（1.05 km）位置に設置された検出器は、ガドリニウムドープ液状シンチレーション剤とフォトマルチプライヤー管（PMT）を用い、7年間にわたり光出力、エネルギー分解能、電荷応答において優れた長期的安定性を達成した。シンチレーション剤の光吸収長や光学的性質に顕著な劣化は観測されず、これにより正確な振動測定が可能になった。

ABSTRACT

This article describes the setup and performance of the near and far detectors in the Double Chooz experiment. The electron antineutrinos of the Chooz nuclear power plant were measured in two identically designed detectors with different average baselines of about 400 m and 1050 m from the two reactor cores. Over many years of data taking the neutrino signals were extracted from interactions in the detectors with the goal of measuring a fundamental parameter in the context of neutrino oscillation, the mixing angle { heta}13. The central part of the Double Chooz detectors was a main detector comprising four cylindrical volumes filled with organic liquids. From the inside towards the outside there were volumes containing gadolinium-loaded scintillator, gadolinium-free scintillator, a buffer oil and, optically separated, another liquid scintillator acting as veto system. Above this main detector an additional outer veto system using plastic scintillator strips was installed. The technologies developed in Double Chooz were inspiration for several other antineutrino detectors in the field. The detector design allowed implementation of efficient background rejection techniques including use of pulse shape information provided by the data acquisition system. The Double Chooz detectors featured remarkable stability, in particular for the detected photons, as well as high radiopurity of the detector components.

研究の動機と目的

• 2つの原子炉から発生する反ニュートリノを用いてニュートリノ混合角 θ₁₃ を測定すること。
• 系統的不確実性を最小限に抑えるために、近い検出器および遠い検出器の両方における長期的安定性と放射純度を確保すること。
• 正確な設計とキャリブレーションにより、両検出器の性能を同一にすることで相関する系統的不確実性を相殺可能にすること。
• Gdドープ液状シンチレーション剤を用いた長期間にわたる高安定性反ニュートリノ検出の実現可能性を示すこと。
• 独立したデータセットを用いてキャリブレーションおよび安定性モニタリングを実施し、複数年にわたる検出器の性能を検証すること。

提案手法

• 2つの同一の地下反ニュートリノ検出器を設置した。1つは原子炉コアから400 mの位置に、もう1つは1.05 kmの位置に設置した。
• 両検出器にGdドープ液状シンチレーション剤を用い、逆ベータ崩壊（IBD）イベントにおける遅延一致で中性子捕獲をタグ付けした。
• フォトマルチプライヤー管（PMT）を用い、PMTの増幅率、有効チャンネル数、再構築電荷の変動を補正するためのドリフト補正アルゴリズムを適用した。
• 独立したデータセット（IBDおよびミューオンスパルラションからのGdおよびHの中性子捕獲）を用いて、一様性および安定性補正のキャリブレーションと検証を実施した。
• 光吸収長が430 nm以上であると仮定した光学シミュレーションを実施し、検出器体積全体における光収集および応答非均一性をモデル化した。
• 7年間にわたり約8 MeV（Gdピーク）におけるエネルギー分解能をモニタリングし、長期的性能安定性を評価した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 Gdドープ液状シンチレーション剤の光出力およびエネルギー分解能は、複数年にわたる運用においてどの程度安定しているか？
• RQ2 PMT増幅率、有効チャンネル数、電荷応答といった検出器パラメータは、時間経過とともにどの程度安定しているか？
• RQ3 シンチレーション剤の光吸収長や光学透過率に顕著な劣化が見られない状態で、長期的な性能を維持できるか？
• RQ4 モンテカルロシミュレーションは、検出器体積全体における観測された非均一性およびエネルギー分解能をどの程度正確にモデル化できるか？
• RQ5 運用上のアップグレードおよびノイズ低減戦略は、検出器性能およびエネルギー分解能にどのような影響を及えるか？

主な発見

• 約8 MeVにおけるエネルギー分解能は、7年間のデータ取得期間にわたり安定しており、性能の顕著な劣化は観測されなかった。
• 近い検出器のターゲットシンチレーション剤において、3年間で検出光電子数（PE）が2%程度の漸近的増加が観測されたが、これはダストやマイクロバブルの沈殿による可能性がある。
• 光出力および光吸収長に劣化の兆候はなく、430 nm以上の光吸収長を仮定した光学シミュレーションは、データと良好に一致した。
• エネルギー分解能は平坦かつ安定しており、2013年の電子回路アップグレードおよびノイズ低減戦略の実施後にわずかな改善が見られた。
• 応答およびエネルギー分解能の非均一性は、モンテカルロシミュレーションにより良好にモデル化されており、キャリブレーションフレームワークの正確性が裏付けられた。
• PMT電荷応答および光電子検出における検出器の優れた長期的安定性が確認され、これは正確な振動測定に不可欠である。