[論文レビュー] Theia: A multi-purpose water-based liquid scintillator detector

V. Fischer|arXiv (Cornell University)|Sep 17, 2018

Neutrino Physics Research参考文献 8被引用数 8

ひとこと要約

Theiaは、調整可能なWbLSと大面積ピコセondsフォトディテクタ（LAPPD）を用いた50キロトン級の水ベース液体シンチレーション検出器を提案し、高精度なニュートリノ物理学を実現する。高い光出力、低いエネルギー閾値、高速タイミングによる位置分解能を組み合わせることで、ニュートリノ質量階層の決定、CP対称性の破れの探査、超新星ニュートリノの検出、およびmββ < 10 meVの上限を有する5σ以上の感度を有する無ニュートリノ二重ベータ崩壊の探索を目的としている。

ABSTRACT

Recent developments in the field of liquid scintillator chemistry and fast-timing photosensors paved the way for a new generation of large-scale detectors capable of tackling a broad range of physics issues. Water-based Liquid Scintillator is a novel detection medium that combines the advantages of pure water, including low attenuation, accurate direction reconstruction, and low cost, and those of liquid scintillator, including high light yield and low-threshold detection. When coupled with high efficiency, fast-timing photosensors, such as Large Area Picosecond PhotoDetectors, Water-based Liquid Scintillator exhibits an immense potential for neutrino physics and BSM searches. Theia is a 50-kiloton multi-purpose neutrino detector that aims to jointly deploy these two technologies in order to fulfill its physics program objectives, including the determination of the neutrino mass hierarchy and the CP violation phase in the leptonic sector, the detection of solar, reactor, and supernova neutrinos, and the search for neutrinoless double beta decay and proton decay.

研究の動機と目的

• ニュートリノ物理学における未解決の問題、特にレプトン系におけるニュートリノ質量階層とCP対称性の破れを解決すること。
• 液体シンチレーションからの高い光出力を活用し、太陽ニュートリノ、原子炉ニュートリノ、超新星ニュートリノの低閾値検出を可能にすること。
• 同位体の添加とフィducial化により、無ニュートリノ二重ベータ崩壊および陽子崩壊の高感度探査を実現すること。
• 高速タイミングフォトセンサと調整可能なWbLSを活用し、荷電粒子の軌跡再構築とバックグラウンド抑制を向上させること。
• 共通の地下被覆厚を有するSURFで運用され、DUNEと併用することで、δCP全範囲にわたる感度を強化する。

提案手法

• 最適な性能をエネルギー領域全体にわたって達成するため、水、液体シンチレーター、界面活性剤（例：PRS）を混合した安定で均一な水ベース液体シンチレーション（WbLS）を用いる。
• 約50ナノ秒の時間分解能と1cm未満の空間分解能を有する大面積ピコセondsフォトディテクタ（LAPPD）を用い、時間と電荷情報によりチェレンコフ光とシンチレーション光を別々に再構築する。
• 4,000メートル水当量（m.w.e.）以上の被覆を有する、円筒形で地下に設置された50キロトン級の検出器を設計し、10万個以上のフォトセンサ（PMTとLAPPD）を用いて90％以上の効果的効果光受光率を達成する。
• フィducial化とイベントトポロジー再構築を実装し、特に多重一致イベントのタグ付けにより、二重ベータ崩壊探査におけるバックグラウンドを抑制する。
• WbLSに可溶性同位体（例：130Te、136Xe、Gd）を添加することで、無ニュートリノ二重ベータ崩壊および中性子検出への感度を向上させる。
• チェレンコフ光（速く方向性がある）とシンチレーション光（遅く等方的）の飛行時間差を用いることで、従来のPMTベース検出器を上回る頂点および軌跡再構築を実現する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 LAPPDを用いた大規模なWbLS検出器は、荷電粒子の軌跡再構築とチェレンコフ光とシンチレーション光の区別に必要な時間分解能および位置分解能を達成できるか？
• RQ2 低エネルギー物理学における高い光出力と高エネルギー物理学における低い減衰を両立させるために、最適なWbLS組成（シンチレーション材含有量）は何か？
• RQ3 DUNEと併用して運用した場合、TheiaはδCP全範囲にわたってCP対称性の破れを5σ以上で検出可能か？
• RQ4 19トンの130Teを添加した内側のバルーンを用いた場合、Theiaが無ニュートリノ二重ベータ崩壊の有効マジョラナ質量（mββ）に対する感度はどの程度か？
• RQ5 WbLSとLAPPDを用いた希少事象探査において、フィducial化と多重一致タグ付けは、バックグラウンドをどの程度効果的に低減できるか？

主な発見

• Theiaは、DUNEと併用することで、全δCP範囲にわたってニュートリノ質量階層の感度を達成し、CP対称性の破れの発見に5σ以上の有意性を有する見込みである。
• 19トンの130Teを添加したバルーンを用いた10⁵ kg·年以上の露光量により、有効マジョラナ質量mββの上限を6.3 meVまで設定できる。
• Theiaは130Teの無ニュートリノ二重ベータ崩壊半減期に対して1.1 × 10²⁸年という上限を達成でき、逆質量階層領域を探索可能である。
• 50キロトンのWbLS標的に対し、mββ < 10 meVの感度限界に達し、逆階層の位相空間を完全にカバー可能である。
• LAPPDの使用により、チェレンコフ光とシンチレーション光の高精度な分離が可能となり、頂点再構築の向上と中性子イベントの誤再構築の低減が実現された。
• WbLSの多様性により、低エネルギー物理学に適した20％以上のシンチレーション材含有量や、高エネルギー物理学に適した5％未満の含有量など、調整可能なシンチレーション材含有量を実現でき、再設計なしに多目的運用が可能である。