[논문 리뷰] Feasibility and physics potential of detecting $^8$B solar neutrinos at JUNO

JUNO collaboration, Angel Abusleme외 595명|arXiv (Cornell University)|2020. 06. 21.

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한 줄 요약

이 논문은 20kt의 액체 스크린터 검출기를 갖춘 JUNO 실험에서 ⁸B 태양 중성미자 탐지의 가능성을 입증한다. 스펙트럼 왜곡과 낮은-밤 비대칭을 통해 Δm²₂₁의 두 값 간의 2σ 감지 감도를 확보한다. ²³⁸U 및 ²³²Th의 낮은 내재 방사능(10⁻¹⁷ g/g)으로 인해 에너지 임계값이 2 MeV로 낮아져, 4.8⁺⁰.⁸₋₀.⁵ × 10⁻⁵ eV²의 정밀도로 Δm²₂₁ 측정이 가능하다.

ABSTRACT

The Jiangmen Underground Neutrino Observatory~(JUNO) features a 20~kt multi-purpose underground liquid scintillator sphere as its main detector. Some of JUNO's features make it an excellent experiment for $^8$B solar neutrino measurements, such as its low-energy threshold, its high energy resolution compared to water Cherenkov detectors, and its much large target mass compared to previous liquid scintillator detectors. In this paper we present a comprehensive assessment of JUNO's potential for detecting $^8$B solar neutrinos via the neutrino-electron elastic scattering process. A reduced 2~MeV threshold on the recoil electron energy is found to be achievable assuming the intrinsic radioactive background $^{238}$U and $^{232}$Th in the liquid scintillator can be controlled to 10$^{-17}$~g/g. With ten years of data taking, about 60,000 signal and 30,000 background events are expected. This large sample will enable an examination of the distortion of the recoil electron spectrum that is dominated by the neutrino flavor transformation in the dense solar matter, which will shed new light on the tension between the measured electron spectra and the predictions of the standard three-flavor neutrino oscillation framework. If $Δm^{2}_{21}=4.8 imes10^{-5}~(7.5 imes10^{-5})$~eV$^{2}$, JUNO can provide evidence of neutrino oscillation in the Earth at the about 3$σ$~(2$σ$) level by measuring the non-zero signal rate variation with respect to the solar zenith angle. Moveover, JUNO can simultaneously measure $Δm^2_{21}$ using $^8$B solar neutrinos to a precision of 20\% or better depending on the central value and to sub-percent precision using reactor antineutrinos. A comparison of these two measurements from the same detector will help elucidate the current tension between the value of $Δm^2_{21}$ reported by solar neutrino experiments and the KamLAND experiment.

연구 동기 및 목표

• 20kt 액체 스크린터 검출기를 사용한 JUNO 실험에서 ⁸B 태양 중성미자 탐지의 가능성을 평가하기 위해.
• 스펙트럼 왜곡과 낮은-밤 비대칭을 활용한 태양 중성미자 질량 제곱 분리 Δm²₂₁ 측정 정밀도를 평가하기 위해.
• 고정밀 측정을 달성하기 위해 필요한 배경 감소 수준을 결정하기 위해.
• 탄소에서 중성미자와의 중성 및 양성 전이 반응을 통해 hep 태양 중성미자를 탐지할 잠재 가능성을 조사하기 위해.

제안 방법

• 신호 노출을 극대화하고 외부 배경을 최소화하기 위해 종합적인 배경 분석 기반의 에너지 의존성 있는 피드유비션 볼륨(FV) 컷을 적용한다.
• 우주선 유도 동위원소(예: ¹⁰C 및 ⁶He)를 억제하기 위해 고려선의 거리 및 시간 의존성의 경고 전략을 구현한다.
• 8B 중성미자가 전자와의 탄성 산란(ES)을 통해 에너지 스펙트럼을 재구성하고, 스펙트럼 왜곡을 통해 Δm²₂₁를 추출한다.
• 낮은-밤 비대칭 측정을 통해 중성미자 진동 매개변수를 탐색한다.
• 2–5 MeV 범위에서 신호 대 배경 비율에 기여하는 ²¹⁰Po 붕괴 및 U/Th 계열 오염물질의 기여를 평가한다.
• 중성 전이(NC) 및 양성 전이(CC) 반응을 ¹²C 및 ¹³C에서 분석하여 hep 중성미자에 대한 추가 탐지 채널을 탐색한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 JUNO는 2 MeV 에너지 임계값에서 ⁸B 태양 중성미자를 탐지하기에 충분한 배경 감소를 달성할 수 있는가?
• RQ2 JUNO에서 ⁸B 중성미자 스펙트럼 왜곡과 낮은-밤 비대칭을 사용한 Δm²₂₁ 측정의 정밀도는 어떠한가?
• RQ3 내재 방사능 수준(²³⁸U, ²³²Th, ²¹⁰Po)이 신호 대 배경 비율과 에너지 임계값에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 νₓ–¹²C 중성 전이 및 νₑ–¹³C 양성 전이 채널을 사용해 hep 태양 중성미자에 대한 감도를 향상시킬 수 있는가?
• RQ5 두 경쟁적 Δm²₂₁ 값(예: 4.8×10⁻⁵ eV² 대비 7.5×10⁻⁵ eV²)을 구분할 수 있는 감도는 어떠한가?

주요 결과

• ²³⁸U 및 ²³²Th의 내재 수준이 10⁻¹⁷ g/g이고, ²¹⁰Po 붕괴율이 2,600 cpd/kt일 경우, ⁸B 중성미자 탐지의 에너지 임계값이 2 MeV로 낮아진다.
• Δm²₂₁ 측정 정밀도는 4.8⁺⁰.⁸₋₀.⁵ × 10⁻⁵ eV²에 도달하며, Δχ² ≈ 5.3의 감도를 확보하여 두 Δm²₂₁ 값 간의 2σ 이상의 구분이 가능하다.
• 낮은-밤 비대칭이 오차의 약 50% 기여하며, ⁸B 중성미자 플럭스 오차가 약 25% 기여하고, 스펙트럼 형태 오차가 약 10% 기여한다.
• ²¹⁰Po가 10,000 cpd/kt를 초과할 경우, 3–5 MeV 범위에서 신호 대 배경 비율이 35에서 0.6으로 감소하여 성능이 열악해진다.
• U/Th 농도가 10⁻¹⁵ g/g일 경우 분석 임계값이 5 MeV로 상승하고 감도는 Δχ² ≈ 3.5로 떨어져 약간의 2σ 이하의 구분 능력을 갖는다.
• U/Th 수준이 10⁻¹⁷ g/g 이하일 경우, 우주선 기인 ¹⁰C 및 ⁶He 배경이 2–5 MeV 범위에서 지배적이므로 향후 개선은 미미하다.