[논문 리뷰] Intensive neutrino source on the base of lithium converter

Vladimir Lyashuk, Yu. S. Lutostansky|arXiv (Cornell University)|2015. 03. 04.

Particle accelerators and beam dynamics참고 문헌 9인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 리튬 변환기에서 중성자 촉발을 통해 생성된 ⁷Li를 통해 β 붕괴를 겪는 ⁸Li를 이용한 새로운 강력한 반중성미자 원천을 제안한다. 고순도 ⁷Li 또는 중수소 산화물(LiOD)을 중수소에서 사용하고, 강력한 중성자원(예: 가속기 또는 원자로에서 유래)과 결합함으로써, 기존 원자로 기반 원천에 비해 스펙트럼 불확실성이 크게 감소한 딱딱한 반중성미자 스펙트럼(최대 13 MeV, 평균 6.5 MeV)을 제공하며, 정밀 중성미자 실험을 위한 새로운 길을 열어준다.

ABSTRACT

An intensive antineutrino source with a hard spectrum (with energy up to 13 MeV, average energy 6.5 MeV) can be realized on the base of beta-decay of short living isotope 8Li (0.84 s). The 8Li isotope (generated in activation of 7Li isotope) is a prime perspective antineutrino source owing to the hard antineutrino spectrum and square dependence of cross section on the energy. Up today nuclear reactors are the most intensive neutrino sources. Antineutrino reactor spectra have large uncertainties in the summary antineutrino spectrum at energy E>6 MeV. Use of 8Li isotope allows to decrease sharply the uncertainties or to exclude it completely. An intensive neutron fluxes are requested for rapid generation of 8Li isotope. The installations on the base of nuclear reactors can be an alternative for nuclear reactors as traditional neutron sources. It is possible creation of neutrino sources another in principle: on the base of tandem of accelerators, neutron generating targets and lithium converter. An intensive neutron flux (i.e., powerful neutron source) is requested for realization of considered neutrino sources (neutrino factories). Different realizations of lithium antineutrino sources (lithium converter on the base of high purified 7Li isotope) are discussed: static regime (i.e., without transport of 8Li isotope to the neutrino detector); dynamic regime (transport of 8Li isotope to the remote detector in a closed cycle); an operation of lithium converter in tandem of accelerator with a neutron-producing target on the base of tungsten, lead or bismuth. Different chemical compounds of lithium (as the substance of the converter) are considered. Heavy water solution of LiOD is proposed as a serious alternative to high-pure 7Li in a metallic state.

연구 동기 및 목표

• 정밀 중성미자 진동 및 단면적 측정에서의 정확도를 향상시키기 위해 최대 13 MeV의 딱딱한 에너지 스펙트럼을 가진 새로운 강력한 반중성미자 원천을 개발하는 것.
• 현재 실험 정확도를 제한하는 6 MeV 이상의 에너지 영역에서 기존 원자로 기반 반중성미자 스펙트럼의 큰 불확실성을 줄이는 것.
• 핵반응로에 의존하지 않는 가속기 유도 중성자 생성 및 리튬 기반 ⁸Li 생성을 바탕으로 한 새로운 중성미자 원천 설계를 탐색하는 것.
• 효율적인 ⁸Li 생성과 반중성미자 방출을 위한 실용적인 변환재로 적합한 리튬 화합물(예: 금속성 ⁷Li, 중수소에 녹은 LiOD)을 평가하는 것.

제안 방법

• 짧은 반감기(0.84 초)를 가지는 ⁸Li를 생성하기 위해 ⁷Li를 중성자 조사함으로써, β⁻ 붕괴를 통해 고에너지 반중성미자를 방출하는 원리 이용.
• 효율적인 ⁷Li 활성화를 위해 강력한 중성자 플럭스를 생성하기 위해 텅스텐, lead, 비스무스 등의 중성자 생성 목표를 갖춘 투안 가속기 시스템 사용.
• 실험 설계의灵活性를 높이기 위해 정적(고정된 변환기, 탐지기 근처) 및 동적(폐쇄 순환 고리 내에서 ⁸Li를 이동시켜 원거리 탐지기로 공급)의 두 운영 모드 도입.
• 고순도 ⁷Li를 금속 형태로 또는 중수소에 녹인 LiOD로 사용하여 리튬 변환기 매체로 활용하며, 중수소는 중성자 냉각 및 화학적 안정성 측면에서 유리함.
• ⁸Li 붕괴의 단면적에 대한 제곱법칙 에너지 의존성을 활용해 고에너지 영역에서 반중성미자 수확량을 극대화.
• 중성자 플럭스 밀도와 ⁸Li 생성 효율을 최적화하여 배경을 최소화하고 반중성미자 유량을 극대화하는 시스템 설계.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 리튬 기반 변환기 시스템이 정밀 중성미자 실험에 적합한 강력한 반중성미자 유량과 딱딱한 스펙트럼(최대 13 MeV)을 제공할 수 있는가?
• RQ2 금속성 ⁷Li와 중수소에 녹은 LiOD 등의 다양한 리튬 화합물 간에 ⁸Li 생성 효율성과 실용성 측면에서 어떤 차이가 있는가?
• RQ3 이러한 원천이 기존 원자로 기반 반중성미자 원천에 비해 6 MeV 이상 영역에서 스펙트럼 불확실성을 얼마나 줄일 수 있는가?
• RQ4 고효율을 유지하면서도 원거리 탐지기로 ⁸Li를 이동시키는 동적 운영 모드에서 기술적·운영적 과제는 무엇인가?
• RQ5 가속기 유도 중성자 원천(예: W/Pb/Bi 목표를 갖춘 투안 가속기)이 이러한 시스템에서 핵반응로를 대체할 수 있는가?

주요 결과

• ⁸Li 붕괴는 최대 에너지가 13 MeV이고 평균 에너지가 6.5 MeV인 딱딱한 반중성미자 스펙트럼을 생성하며, 일반적인 원자로 스펙트럼보다 훨씬 딱딱하다.
• ⁸Li에서 유래한 반중성미자 스펙트럼은 단면적의 제곱법칙 에너지 의존성을 가지며, 이는 고에너지 영역에서 수확량을 증가시켜 신호 대 배경 비율을 향상시킨다.
• 고순도 ⁷Li 또는 중수소에 녹인 LiOD를 변환기 매체로 사용하면 화학적 및 열적 과제를 줄이며 효율적인 ⁸Li 생성이 가능하다.
• 동적 이동 운영 방식은 반중성미자 원천을 원거리에 배치할 수 있게 하여 새로운 실험 기하학과 탐지기 내 배경 감소를 가능하게 한다.
• 제안된 시스템은 현재 기반 원자로 기반 반중성미자 원천에서의 주요 제한 요소인 E > 6 MeV 영역에서 스펙트럼 불확실성을 극적으로 감소 또는 제거할 수 있다.
• 가속기 유도 중성자 원천(예: W/Pb/Bi 목표를 갖춘 투안 가속기)을 사용하면 핵반응로에 비해 실현 가능하고 확장 가능한 중성자 생산 방법으로서 유망하다.