[論文レビュー] The Physics and Nuclear Nonproliferation Goals of WATCHMAN: A WAter CHerenkov Monitor for ANtineutrinos

M. Askins, M. Bergevin+24 more|arXiv (Cornell University)|Feb 4, 2015

Neutrino Physics Research参考文献 20被引用数 60

ひとこと要約

WATCHMANは、逆ベータ崩壊を用いて反ニュートリノを検出することで、核不拡散を目的とした、1000トン級のジスプロシウムドープ水チェレンコフ検出器を提案する。この検出器は、遠隔で核動力炉をモニタリング可能であり、方向性とフレーバー付きの超新星ニュートリノ検出を可能とし、先進的な検出技術の検証も行う。また、近接したコンactな加速器ビームを用いて、ステルラーニュートリノや非標準的相互作用の高感度探索にも貢献する。

ABSTRACT

This article describes the physics and nonproliferation goals of WATCHMAN, the WAter Cherenkov Monitor for ANtineutrinos. The baseline WATCHMAN design is a kiloton scale gadolinium-doped (Gd) light water Cherenkov detector, placed 13 kilometers from a civil nuclear reactor in the United States. In its first deployment phase, WATCHMAN will be used to remotely detect a change in the operational status of the reactor, providing a first- ever demonstration of the potential of large Gd-doped water detectors for remote reactor monitoring for future international nuclear nonproliferation applications. During its first phase, the detector will provide a critical large-scale test of the ability to tag neutrons and thus distinguish low energy electron neutrinos and antineutrinos. This would make WATCHMAN the only detector capable of providing both direction and flavor identification of supernova neutrinos. It would also be the third largest supernova detector, and the largest underground in the western hemisphere. In a follow-on phase incorporating the IsoDAR neutrino beam, the detector would have world-class sensitivity to sterile neutrino signatures and to non-standard electroweak interactions (NSI). WATCHMAN will also be a major, U.S. based integration platform for a host of technologies relevant for the Long-Baseline Neutrino Facility (LBNF) and other future large detectors. This white paper describes the WATCHMAN conceptual design,and presents the results of detailed simulations of sensitivity for the project's nonproliferation and physics goals. It also describes the advanced technologies to be used in WATCHMAN, including high quantum efficiency photomultipliers, Water-Based Liquid Scintillator (WbLS), picosecond light sensors such as the Large Area Picosecond Photo Detector (LAPPD), and advanced pattern recognition and particle identification methods.

研究の動機と目的

• 核不拡散を目的とした、反ニュートリノ検出を用いた、非侵襲的で遠隔での民間核動力炉の監視を実証すること。
• ジスプロシウムドーピング水が、大規模ニュートリノ検出器における効率的な中性子タグの媒体として有効であることを検証すること。
• 将来的な大規模ニュートリノ検出器、特に長基線ニュートリノ施設（LBNF）向けの技術的実証プラットフォームとしての役割を果たすこと。
• コンactな加速器ビームを用いて、ステルラーニュートリノおよび非標準的ニュートリノ相互作用の高感度探索を可能とすること。
• 将来のニュートリノ物理学に不可欠な水ベースの液体シンチレーター（WbLS）およびピコ秒フォトマルチプライヤー技術の検証に不可欠なプラットフォームを提供すること。

提案手法

• 13 kmの距離に位置する核動力炉からの反ニュートリノを、逆ベータ崩壊（ν̄_e + p → e⁺ + n）を用いて検出する。
• ジスプロシウムドーピング（Gd-H₂O）により、高い熱中性子捕獲断面積のおかげで中性子検出効率を約6倍向上させる。
• 陽電子および中性子信号の時間的・位置的相関検出を用いて、方向性およびフレーバーのタグ付けを実現する。
• 高い量子効率を有するフォトマルチプライヤーと高度な画像認識技術を用いて、エネルギー分解能および角度分解能を向上させる。
• 再構成された電子反ニュートリノ散乱角度およびミューオン誘導背景に基づくバックグラウンド除去技術を適用する。
• ステルラーニュートリノおよびNSI探索におけるイン・サイトキャリブレーションと感度向上のため、コンactな加速器ビーム（ISoDAR）を統合する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 大規模でジスプロシウムドーピングされた水チェレンコフ検出器は、核不拡散の目的で、核動力炉の運用を信頼性高く遠隔監視可能か？
• RQ2 Gdドーピング水における中性子タグは、超新星ニュートリノの方向性およびフレーバー同定にどの程度有効か？
• RQ3 ステルラーニュートリノおよび非標準的ニュートリノ相互作用探索において、WATCHMANは信号とバックグラウンドをどの程度効果的に区別できるか？
• RQ4 コンactな加速器ビームを用いた場合、WATCHMANの非標準的ニュートリノ相互作用に対する感度はどの程度か？
• RQ5 WATCHMANは、将来の50–100トン級の水ベースの液体シンチレーター検出器（例：Theia）の実用的技術的予備検証として有効に機能できるか？

主な発見

• 5年間のビームオンと1年間のビームオフを経過した後、非標準的ニュートリノ相互作用（NSI）探索において、統計的有意度が31.7σに達すると予測され、不確実性は3.2%である。
• Gd-H₂O標的にてステルラーニュートリノ探索を実施した場合、5年間で9010 ± 270件の弾性散乱事象が予測され、統計的不確実性は3.0%である。
• 液体シンチレーター標的にて、信号対バックグラウンド比が約1:2.4に達し、KamLANDの約1:1.4よりも優れている。これは、向上した角度分解能とバックグラウンド除去技術によるものである。
• WATCHMANは、超新星ニュートリノの方向性およびフレーバー識別を両方提供できる世界で唯一の検出器であり、世界で3番目に大きな検出器である。
• 水ベースの液体シンチレーター（WbLS）およびピコ秒フォトマルチプライヤー技術の重要なテストを可能とし、将来の大規模ニュートリノ実験に不可欠である。
• 国際的・共同での核動力炉監視に向けた、費用対効果に優れ、スケーラブルな道筋を提供し、遠隔でリアルタイムでの検証を可能とすることで、核不拡散体制を支援する。