[논문 리뷰] A Call to Arms Control: Synergies between Nonproliferation Applications of Neutrino Detectors and Large-Scale Fundamental Neutrino Physics Experiments

T. Akindele, T. Anderson외 163명|arXiv (Cornell University)|2022. 02. 28.

Neutrino Physics Research인용 수 7

한 줄 요약

이 논문은 기본 물리학을 위한 대규모 중성미자 탐지기와 핵확산방지 분야에서의 응용 간 전략적 융합을 제안한다. 특히 중성미자 탐지 기반으로 원자로의 원격 감시를 가능하게 한다. 물기반 및 스컬린레이터 탐지기와 같은 공통된 기술, 재료, 인프라(예: 고속 포지션 감지형 광전자 배율관을 갖춘)를 활용함으로써, 기본 중성미자 물리학과 글로벌 핵안보를 동시에 발전시킬 수 있는 이중 목적 연구를 실현하며, 공동 R&D 및 자금 지원 기회를 제공한다.

ABSTRACT

The High Energy Physics community can benefit from a natural synergy in research activities into next-generation large-scale water and scintillator neutrino detectors, now being studied for remote reactor monitoring, discovery and exclusion applications in cooperative nonproliferation contexts. Since approximately 2010, US nonproliferation researchers, supported by the National Nuclear Security Administration (NNSA), have been studying a range of possible applications of relatively large (100 ton) to very large (hundreds of kiloton) water and scintillator neutrino detectors. In parallel, the fundamental physics community has been developing detectors at similar scales and with similar design features for a range of high-priority physics topics, primarily in fundamental neutrino physics. These topics include neutrino oscillation studies at beams and reactors, solar, and geological neutrino measurements, supernova studies, and others. Examples of ongoing synergistic work at U.S. national laboratories and universities include prototype gadolinium-doped water and water-based and opaque scintillator test-beds and demonstrators, extensive testing and industry partnerships related to large area fast position-sensitive photomultiplier tubes, and the development of concepts for a possible underground kiloton-scale water-based detector for reactor monitoring and technology demonstrations. Some opportunities for engagement between the two communities include bi-annual Applied Antineutrino Physics conferences, collaboration with U.S. National Laboratories engaging in this research, and occasional NNSA funding opportunities supporting a blend of nonproliferation and basic science R&D, directed at the U.S. academic community.

연구 동기 및 목표

• 기본 물리학에 사용되는 대규모 중성미자 탐지기와 핵확산방지 분야에 적용되는 탐지기 간 융합을 식별하고 촉진하기.
• 대규모 중성미자 탐지기의 높은 비용과 기술적 복잡성 문제를 해결하기 위해 공동 개발 및 인프라 공유를 가능하게 하기.
• 기본 중성미자 물리학 공동체와 핵확산방지 연구자 간 협력을 강화하기 위해 공동 R&D 이니셔티브를 통해 협력 체제를 구축하기.
• 기본 과학과 응용 핵확산방지 목표를 연결하는 지속 가능한 자금 지원 및 기관적 지원을 촉진하기.
• 기존 및 계획 중인 탐지기 기술(예: gadolinium-doped water 및 스컬린레이터 시스템)을 과학적 발견과 국제 보호 조치 모두에 활용하기

제안 방법

• 기본 물리학과 원자로 모니터링을 위한 이중 목적으로 사용 가능한 기존 및 계획 중인 대규모 중성미자 탐지기(예: 톤 수준의 물기반 및 스컬린레이터 탐지기)를 활용하기.
• 원자로에서 방출되는 반중성미자의 알려진 유량과 에너지 스펙트럼에 기반해 반중성미자 탐지를 핵확산방지 수단으로 활용하기.
• 기본 물리학 분야에서 개발된 고급 광검출기 시스템(예: 대면적, 고속, 위치 감지형 광전자 배율관)을 핵확산방지 응용에 통합하기.
• 기본 물리학과 핵확산방지 R&D를 위한 테스트베드 및 시범 모델(예: gadolinium-doped water 및 투명하지 않은 스컬린레이터 프로토타입)을 구축하기.
• 매년 두 번 개최되는 Applied Antineutrino Physics 컨퍼런스 및 미국 국립연구소와의 공동 프로젝트를 통해 협력을 촉진하기.
• 미국 핵안보국(NNSA)의 자금 지원 기회를 활용하여 핵확산방지와 기본 물리학을 융합한 하이브리드 R&D를 지원하기.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 기본 물리학을 위한 목적으로 설계된 대규모 중성미자 탐지기를 어떻게 핵확산방지 감시에 재사용할 수 있는가?
• RQ2 원자로 반중성미자 탐지와 고에너지 물리 실험 간에 존재하는 기술적 및 제도적 융합은 무엇인가?
• RQ3 핵확산방지와 기본 중성미자 물리학 간 공통된 기술적 요구사항(예: 광검출기 및 차폐 장치)은 무엇인가?
• RQ4 공동 R&D는 핵확산방지 및 기본 물리학 탐지기 시스템의 비용 절감과 배치 가속화에 어떻게 기여할 수 있는가?
• RQ5 장기적인 핵확산방지 및 기본 물리학 공동체 간 협력을 지속하기 위한 정책 및 자금 지원 메커니즘은 무엇인가?

주요 결과

• 기본 물리학을 위한 대규모 중성미자 탐지기와 핵확산방지 분야 응용 간 자연스러운 융합이 존재하며, 특히 원자로의 원격 감시에 효과적이다.
• 중성미자 진동 및 초신성 연구를 위한 톤 수준의 물기반 및 스컬린레이터 시스템은 높은 민감도로 원자로 반중성미자를 탐지할 수 있다.
• gadolinium-doped water 및 고속 광전자 배율관과 같은 기술은 기본 물리학과 핵확산방지 테스트베드에서 모두 시험 중이며, 공동 개발을 가능하게 한다.
• Applied Antineutrino Physics 컨퍼런스 및 미국 국립연구소와의 공동 프로젝트를 통해 이미 두 공동체 간의 다리를 놓는 협력이 시작되었다.
• NNSA 자금 지원 기회를 통해 학술 기관이 핵확산방지와 기본 과학 양쪽 분야에 동시에 참여할 수 있도록 하기 위한 하이브리드 R&D 지원이 가능하다.
• 주요 물리학 프로젝트에 핵확산방지 목표를 통합하면 임무의 관련성이 향상되고, 대규모 탐지기 프로젝트의 장기적 자금 지원이 보장될 수 있다.