[논문 리뷰] JUNO sensitivity to $^7$Be, $pep$, and CNO solar neutrinos

A. C. Abusleme Hoffman, Thomas Adam외 616명|arXiv (Cornell University)|2023. 01. 01.

Neutrino Physics Research인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 다양한 방사능 순도 조건에서 JUNO가 중간 에너지 태양 중성자율에 대한 민감도를 평가한다 — 특히 7Be, pep, CNO 중성자율에 대해. 10년의 노출 시간을 통해 JUNO는 주기적 변동(최소 0.3%까지 BX 유사 조건에서)을 백분율 이내로 탐지할 수 있으며, 기존의 한계를 크게 초월하여 태양 중성자율의 밀도 및 진동 효과를 정밀하게 측정할 수 있다.

ABSTRACT

The Jiangmen Underground Neutrino Observatory (JUNO), the first multi-kton liquid scintillator detector, which is under construction in China, will have a unique potential to perform a real-time measurement of solar neutrinos well below the few MeV threshold typical for Water Cherenkov detectors. JUNO's large target mass and excellent energy resolution are prerequisites for reaching unprecedented levels of precision. In this paper, we provide estimation of the JUNO sensitivity to 7Be, pep, and CNO solar neutrinos that can be obtained via a spectral analysis above the 0.45 MeV threshold. This study is performed assuming different scenarios of the liquid scintillator radiopurity, ranging from the most opti mistic one corresponding to the radiopurity levels obtained by the Borexino experiment, up to the minimum requirements needed to perform the neutrino mass ordering determination with reactor antineutrinos - the main goal of JUNO. Our study shows that in most scenarios, JUNO will be able to improve the current best measurements on 7Be, pep, and CNO solar neutrino fluxes. We also perform a study on the JUNO capability to detect periodical time variations in the solar neutrino flux, such as the day-night modulation induced by neutrino flavor regeneration in Earth, and the modulations induced by temperature changes driven by helioseismic waves.

연구 동기 및 목표

• 여러 방사능 순도 조건에서 JUNO가 7Be, pep, CNO 태양 중성자율에 대해 가지는 민감도를 평가하기 위해.
• 특히 g-모드 진동으로 인한 태양 중성자율의 주기적 변동의 최소 탐지 가능 진폭을 결정하기 위해.
• Borexino와 같은 기존 실험에 비해 중성자율 밀도 불확실성 측정에서의 향상 정도를 평가하기 위해.
• 210Bi 배경에 제약 조건을 두지 않고도 CNO 중성자율의 개별 구성 요소(13N 및 16O)를 구분할 수 있는지 탐색하기 위해.
• JUNO가 이전에 없었던 민감도 수준에서 일일-야간 비대칭성과 g-모드 유도 변동을 탐지할 수 있는 능력을 확립하기 위해.

제안 방법

• IBD, 기본, 이상적, BX 유사의 네 가지 방사능 순도 조건을 고려하여 JUNO의 액체 스크린 검출기에서 중성자율 탐지 시뮬레이션을 수행한다.
• 주기적 변동(수시간에서 수백 일의 주기까지)을 탐지하기 위해 Lomb-Scargle 주기 분석법을 적용한다.
• 통계적 유의성(3σ)을 사용하여 최소 탐지 가능한 진폭(AgMode)을 정량화한다.
• 통계적 오차 전파를 통해 불확실성 추정을 수행하며, Borexino의 경험을 바탕으로 통제 가능한 체계적 오차를 가정한다.
• 배경 수준과 방사능 순도가 7Be, pep, CNO 중성자율 빈도 측정 정밀도에 미치는 영향을 평가한다.
• 노출 시간(최대 10년)과 방사능 순도 수준 간의 비교를 통해 결과의 강건성 및 민감도 임계값을 결정한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 10년 간의 데이터 수집 후, 다양한 방사능 순도 조건에서 태양 중성자율의 주기적 변동 최소 탐지 가능한 진폭(AgMode)은 얼마인가요?
• RQ2 실제 방사능 순도 조건에서 JUNO의 7Be, pep, CNO 중성자율 빈도 측정 민감도는 Borexino의 현재 정밀도에 비해 어떻게 비교되나요?
• RQ3 210Bi 배경에 제약 조건을 두지 않고도 JUNO는 CNO 빈도에서 13N 및 16O 구성 요소를 구분할 수 있나요?
• RQ4 특히 g-모드 진동에 대해, 변동 민감도는 주기 T에 얼마나 의존하는가요?
• RQ5 JUNO는 일일-야간 비대칭성과 g-모드 유도 변동에 대해 기존 한계에 비해 어느 정도 향상된 성능을 달성할 수 있나요?

주요 결과

• 10년 간의 데이터 수집 후, BX 유사 방사능 순도 조건에서 JUNO는 최소 0.3% 진폭의 g-모드 유도 변동을 탐지할 수 있다.
• 이상적 조건에서는 최소 탐지 변동이 0.4%이며, 기본 조건에서는 0.8%이다.
• 모든 방사능 순도 조건에서 6년 간의 데이터 수집 후 7Be 중성자율 빈도의 불확실성은 백분율 수준으로 줄어든다.
• pep 중성자율의 경우, 6년 후 불확실성은 방사능 순도 조건에 따라 3%에서 17%로 향상된다.
• CNO 중성자율의 경우, 6년 후 불확실성은 대부분의 조건에서 210Bi 빈도에 제약 조건이 없더라도 12–19% 수준에 도달한다.
• 가장 열악한 방사능 순도 조건을 제외한 모든 조건에서 JUNO는 CNO 빈도의 개별 13N 및 16O 구성 요소를 구분할 수 있다.