[논문 리뷰] JUNO Physics and Detector

Angel Abusleme, Thomas Adam외 605명|arXiv (Cornell University)|2021. 04. 07.

Neutrino Physics Research참고 문헌 158인용 수 9

한 줄 요약

JUNO는 700m의 깊이에 위치한 20kt의 액체 색소체 검출기를 통해 뉘트리노 성질을 고정밀도로 연구한다. 반응로 반뉘트리노를 이용해 뉘트리노 질량 순서를 3–4σ의 민감도로 결정하고, 진동 매개변수를 0.6% 이내의 정밀도로 측정한다. 10년 간의 데이터로는 3σ의 민감도로 확산 초신성 뉘트리노 배경을 탐지하고, 양성자 붕괴, 태양 뉘트리노, 지열 뉘트리노를 연구할 수 있다.

ABSTRACT

The Jiangmen Underground Neutrino Observatory (JUNO) is a 20 kton LS detector at 700-m underground. An excellent energy resolution and a large fiducial volume offer exciting opportunities for addressing many important topics in neutrino and astro-particle physics. With 6 years of data, the neutrino mass ordering can be determined at 3-4 sigma and three oscillation parameters can be measured to a precision of 0.6% or better by detecting reactor antineutrinos. With 10 years of data, DSNB could be observed at 3-sigma; a lower limit of the proton lifetime of 8.34e33 years (90% C.L.) can be set by searching for p->nu_bar K^+; detection of solar neutrinos would shed new light on the solar metallicity problem and examine the vacuum-matter transition region. A core-collapse supernova at 10 kpc would lead to ~5000 IBD and ~2000 (300) all-flavor neutrino-proton (electron) scattering events. Geo-neutrinos can be detected with a rate of ~400 events/year. We also summarize the final design of the JUNO detector and the key R&D achievements. All 20-inch PMTs have been tested. The average photon detection efficiency is 28.9% for the 15,000 MCP PMTs and 28.1% for the 5,000 dynode PMTs, higher than the JUNO requirement of 27%. Together with the >20 m attenuation length of LS, we expect a yield of 1345 p.e. per MeV and an effective energy resolution of 3.02%/\\sqrt{E (MeV)}$ in simulations. The underwater electronics is designed to have a loss rate <0.5% in 6 years. With degassing membranes and a micro-bubble system, the radon concentration in the 35-kton water pool could be lowered to <10 mBq/m^3. Acrylic panels of radiopurity <0.5 ppt U/Th are produced. The 20-kton LS will be purified onsite. Singles in the fiducial volume can be controlled to ~10 Hz. The JUNO experiment also features a double calorimeter system with 25,600 3-inch PMTs, a LS testing facility OSIRIS, and a near detector TAO.

연구 동기 및 목표

• 6년 간의 반응로 반뉘트리노 데이터를 이용해 뉘트리노 질량 순서를 3–4σ의 유의수준으로 결정한다.
• 반응로 반뉘트리노 탐지로 세 개의 뉘트리노 진동 매개변수를 0.6% 이내의 정밀도로 측정한다.
• 10년 간의 데이터로 확산 초신성 뉘트리노 배경(DSNB)을 3σ의 유의수준으로 관측한다.
• p→ν̄K⁺ 붕괴를 탐색함으로써 90% 신뢰수준에서 양성자 수명의 하한을 8.34×10³³년으로 설정한다.
• 저에너지 뉘트리노의 고해상도 탐지로 태양 뉘트리노와 태양의 금속성 문제를 연구한다.

제안 방법

• 20,000개의 20인치 포토다이오드 튜브(PMTs)를 갖춘 20kt 액체 색소체(LS) 검출기를 사용해 고광자 탐지 효율을 확보한다.
• MCP PMTs의 광자 탐지 효율을 28.9%로 확보하고, 다이노드 PMTs의 경우 28.1%로, 요구 조건인 27%를 초과한다.
• 탈가스 처리된 막과 마이크로버블 시스템을 갖춘 35kt의 물 풀을 사용해 라돈 농도를 <10 mBq/m³ 이하로 낮춘다.
• 우라늄·Thorium 농도가 0.5 ppt 이하인 고순도 아크릴판과 현장에서의 LS 정제를 통해 배경을 최소화한다.
• 25,600개의 3인치 PMTs를 갖춘 이중 칼로리미터 시스템과 근접 검출기(TAO)를 통해 캘리브레이션과 교차 확인을 수행한다.
• 20m 이상의 감쇠 길이를 갖춘 LS를 사용해 효과적인 에너지 해상도를 3.02%/√E (MeV)로 시뮬레이션하고, 1MeV당 1345개의 광전자(p.e.)의 수확량을 도출한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 6년 간의 반응로 반뉘트리노 데이터로 3–4σ의 유의수준에서 뉘트리노 질량 순서를 결정할 수 있는가?
• RQ2 10년 간의 데이터로 확산 초신성 뉘트리노 배경을 3σ의 유의수준에서 탐지할 수 있는가?
• RQ3 JUNO에서 p→ν̄K⁺ 붕괴를 탐색함으로써 설정할 수 있는 양성자 수명의 하한은 얼마인가?
• RQ4 태양 뉘트리노는 충분한 에너지 해상도로 탐지될 수 있으며, 이를 통해 태양의 금속성 문제를 연구할 수 있는가?
• RQ5 10kpc 거리의 중심 붕괴 초신성 뉘트리노의 예상 사건 수는 얼마이며, 배경과 구별할 수 있는가?

주요 결과

• 6년 간의 데이터로 JUNO는 3–4σ의 유의수준에서 뉘트리노 질량 순서를 결정하고, 진동 매개변수를 0.6% 이내의 정밀도로 측정할 수 있다.
• 10년 간의 데이터로 확산 초신성 뉘트리노 배경(DSNB)을 3σ의 유의수준에서 관측할 수 있다.
• p→ν̄K⁺ 붕괴를 탐색함으로써 90% 신뢰수준에서 양성자 수명의 하한을 8.34×10³³년으로 설정할 수 있다.
• 10kpc 거리의 중심 붕괴 초신성은 약 5,000건의 역베타붕괴(IBD) 및 2,000(300)건의 전장류 뉘트리노-양성자 산란 사건을 유도한다.
• 고순도 및 큰 유효 부피 덕분에 지열 뉘트리노는 연간 약 400건의 사건으로 탐지될 수 있다.
• 검출기는 시뮬레이션된 효과적인 에너지 해상도 3.02%/√E (MeV)와 1,345 p.e./MeV의 광전자 수확량을 달성하여 설계 목표를 초과한다.