[논문 리뷰] Double Calorimetry System in JUNO

Miao He|arXiv (Cornell University)|2017. 06. 27.

Neutrino Physics Research참고 문헌 2인용 수 3

한 줄 요약

JUNO는 25,000개의 3인치 광전자 배율관(PMT), 18,000개의 20인치 PMT를 이용한 이중 캘로리메트리 시스템을 제안하여 1% 미만의 에너지 해상도를 달성한다. 작은 PMT는 광자 수세기 모드로 작동하여 큰 PMT 시스템의 비선형 응답을 정밀하게 校정함으로써 체계적 오차를 통제하고 중성미자 질량 계층 측정 및 고에너지 물리학에 대한 에너지 해상도를 향상시킨다.

ABSTRACT

The Jiangmen Underground Neutrino Observatory (JUNO) is a multipurpose neutrino-oscillation experiment, with a 20 kiloton liquid scintillator detector of unprecedented 3\% energy resolution (at 1 MeV) at 700-meter deep underground. There are ~18,000 20-inch photomultiplier tubes (PMTs) in the central detector with an optical coverage greater than 75%. Control of the systematics of the energy response is crucial to archive the designed energy resolution as well as to reach 1% precision of the absolute energy scale. The detected number of photoelectrons in each PMT differs by two orders of magnitude in the reactor antineutrino energy range in such a large detector, which is a challenge to the single channel charge measurement. JUNO has approved a new small-PMT system, including 25,000 3-inch PMTs, installed alternately with 20-inch PMTs. The individual 3-inch PMT receives mostly single photoelectrons, which provides a unique way to calibrate the energy response of the 20-inch PMT system by a photon-counting technology. Besides, the small-PMT system naturally extends the dynamic range of the energy measurement to help the high-energy physics, such as cosmic muons and atmospheric neutrinos. We will present the physics concept of this double calorimetry, the design and implementation of the 3-inch PMT and its readout electronics system.

연구 동기 및 목표

• 체계적 오차를 통제하여 JUNO 액체 스크린터 탐지기에서 1 MeV에서 3%의 에너지 해상도를 달성하기 위해.
• reactor 반중성미자 에너지 범위 전역에서 두 배수 정도 변화하는 큰 20인치 PMT의 비선형 전하 응답 문제를 해결하기 위해.
• 우주선 뮤온 및 대기 중성미자와 같은 고에너지 물리 응용 분야의 에너지 측정 동적 범위를 확장하기 위해.
• 스토크래틱(20인치 PMT)과 비스토크래틱(3인치 PMT) 응답 제어를 조합한 이중-PMT 시스템을 구현하여 에너지 해상도를 향상시키기 위해.
• 3인치 PMT의 광자 수세기로부터의 보정을 통해 20인치 PMT의 에너지 스케일을 1% 이내 정밀도로 校정하기 위해

제안 방법

• 20인치 PMT 사이의 간격에 25,000개의 3인치 PMT(XP72B22)를 설치하여 이중층 PMT 시스템을 구성하기 위해.
• 3인치 PMT를 광자 수세기 모드로 운영하여 반중성미자 에너지 범위에서 98% 이상의 경우 단일 광전자만 검출하도록 하기 위해.
• 3인치 PMT의 전하 및 시간 정보를 고대역폭, 사각형 없는 읽기 방식으로 처리하기 위해 다중채널 프론트엔드 ASIC(CATIROC)을 사용하기 위해.
• 3인치 PMT가 측정한 총 전하를 기반으로 20인치 PMT 시스템의 비선형 전하 응답을 보정하기 위해.
• 3인치 PMT 시스템을 사용하여 탐지기 내에서 이벤트의 발생 위치가 다양할 경우 발생하는 에너지 응답의 비균일성을 보정하기 위해.
• 장기적 안정성과 낮은 배경을 확보하기 위해 3인치 PMT 시스템을 맞춤형 수중 박스 및 전원/데이터 전송 시스템과 통합하기 위해

실험 결과

연구 질문

• RQ1 큰 20인치 PMT의 비선형 전하 응답을 대규모 액체 스크린터 탐지기에서 1% 이내 정밀도로 보정할 수 있는가?
• RQ2 광자 수세기 모드로 작동하는 보조 소형 PMT 시스템이 주요 대형 PMT 시스템의 에너지 응답을 보정하는 데 신뢰성 있는 기준이 될 수 있는가?
• RQ3 이중 캘로리메트리 시스템이 중성미자 진동 측정에서 체계적 오차를 얼마나 줄이는가?
• RQ4 3인치 PMT의 통합은 반중성미자 이외의 고에너지 물리 응용 분야에서 에너지 측정의 동적 범위를 얼마나 확장하는가?
• RQ5 HZC XP72B22 3인치 PMT의 성능 특성은 타이밍, 해상도 및 방사능에 대한 JUNO의 엄격한 요구 조건을 충족하는가?

주요 결과

• 3인치 PMT(XP72B22)는 단일 광전자 해상도가 35% ± 2%를 기록하여 샘플 간 우수한 균일성을 보였다.
• 단일 광전자에 대한 타이밍 워크는 5 ns FWHM 이하로, 고정밀 에너지 복원에 필요한 JUNO의 타이밍 요구 조건을 충족시켰다.
• 사전 및 이후 펄스 전하 비율은 각각 5% 이하 및 15% 이하로, 잡음 신호 기여를 최소화했다.
• 3인치 PMT의 비선형성은 1~100개 광전자 범위에서 10% 이하로 유지되어 정확한 광자 수세기 보장을 하였다.
• 3인치 PMT는 어두운 비율이 낮아 0.25 PE에서 1,000 Hz이며, 초저방사능 특성을 보였으며, 238U, 232Th, 40K 농도는 각각 400 ppb 이하, 400 ppb 이하, 200 ppb 이하였다.
• 이중 캘로리메트리 시스템은 1 MeV에서 3%의 에너지 해상도를 달성할 것으로 기대되며, 체계적 오차는 1% 이하로 유지되어 중성미자 질량 계층 결정에 필수적이다.