[논문 리뷰] PROSPECT - A Precision Reactor Oscillation and Spectrum Experiment at Short Baselines

J. Ashenfelter, A. B. Balantekin외 64명|arXiv (Cornell University)|2013. 09. 29.

Nuclear reactor physics and engineering인용 수 19

한 줄 요약

PROSPECT은 고농축 우라늄 연구용 원자로 주변의 단거리 기준(7–20 m)에서 분할된 액체 색소 검출기를 사용하여 정밀한 반입자중성자 실험을 제안한다. 이 실험은 235U 반입자중성자 스펙트럼을 측정하고, 스펙트럼 왜곡을 통해 eV 규모의 비활성 중성자를 탐색한다. 실험은 고해상도 검출, 위상 기반 배경 감소, 정밀 캘리브레이션을 조합하여 원자로 이면수 모델을 시험하고 핵물질 보안 기술을 발전시킨다.

ABSTRACT

Current models of antineutrino production in nuclear reactors predict detection rates and spectra at odds with the existing body of direct reactor antineutrino measurements. High-resolution antineutrino detectors operated close to compact research reactor cores can produce new precision measurements useful in testing explanations for these observed discrepancies involving underlying nuclear or new physics. Absolute measurement of the 235U-produced antineutrino spectrum can provide additional constraints for evaluating the accuracy of current and future reactor models, while relative measurements of spectral distortion between differing baselines can be used to search for oscillations arising from the existence of eV-scale sterile neutrinos. Such a measurement can be performed in the United States at several highly-enriched uranium fueled research reactors using near-surface segmented liquid scintillator detectors. We describe here the conceptual design and physics potential of the PROSPECT experiment, a U.S.-based, multi-phase experiment with reactor-detector baselines of 7-20 meters capable of addressing these and other physics and detector development goals. Current R&D status and future plans for PROSPECT detector deployment and data-taking at the High Flux Isotope Reactor at Oak Ridge National Laboratory will be discussed.

연구 동기 및 목표

• 단거리 기준에서 높은 정밀도로 235U 반입자중성자 스펙트럼을 측정하여 원자로 이면수를 해결하기 위해.
• 기준 거리에 따른 스펙트럼 왜곡을 감지하여 eV 규모의 비활성 중성자 진동을 시험하기 위해.
• 미래의 원자로 보안 응용을 위한 분할된 액체 색소 검출기의 지표면 근접 설치를 개발하고 시연하기 위해.
• 프로토타입 검출기에서 위상 기반 컷과 유효부분 설정을 이용한 배경 거부 기술을 검증하기 위해.
• 분할된 검출기 셀 간의 절대 에너지 스케일과 상대 검출 효율성에 대한 정밀 캘리브레이션 방법을 확립하기 위해.

제안 방법

• 고유량 동위원소 원자로(HFIR)에서 7–20 m 기준에 분할된 액체 색소 검출기를 설치하여 고통계 반입자중성자 측정을 가능하게 한다.
• 펄스 형상 구분(PSD)과 타이밍 컷을 사용하여 전자 반입자중성자 사건과 배경 사건을 구별한다.
• 위상 기반 배경 감소 및 타겟 유효부분 설정을 구현하여 우주선 및 내재된 방사성 배경을 감소시킨다.
• 색소 물질의 특성(예: Birks 계수 및 빛 방출량 포함)에 대한 세밀한 시뮬레이션과 벤치탑 특성 분석을 수행하여 검출기 반응을 모델링한다.
• 내부 캘리브레이션 원천과 내재된 방사성 배경(예: 알파, 감마, 중성자 포획)을 활용하여 상대 검출 효율성과 에너지 스케일을 캘리브레이션한다.
• 연속 스펙트럼을 방출하는 베타 붕괴 원천을 사용하여 절대 에너지 스케일을 캘리브레이션하고, 검출기 반응 모델을 테스트 및 개선한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 기본 원자로 모델과 실험 데이터 간의 괴리 문제를 해결하기에 충분한 정밀도로 235U 반입자중성자 스펙트럼을 측정할 수 있는가?
• RQ2 단거리 기준에서 전자중성자 소멸을 시사하는 스펙트럼 왜곡이 eV 규모의 비활성 중성자 진동에 기인한 것인지에 대한 증거가 있는가?
• RQ3 위상 기반 배경 감소 및 유효부분 설정이 지표면 근접 검출기에서 민감한 진동 탐색을 위해 필요한 배경 감소를 달성할 수 있는가?
• RQ4 프로토타입 검출기(PROSPECT2 및 PROSPECT20)가 전체 PROSPECT 설계와 배경 추정 전략을 얼마나 정확히 검증할 수 있는가?
• RQ5 내부 원천과 배경 원천을 사용하여 분할된 액체 색소 검출기에서 절대 에너지 스케일과 상대 검출 효율성을 얼마나 정밀하게 캘리브레이션할 수 있는가?

주요 결과

• PROSPECT 실험은 높은 정밀도로 235U 반입자중성자 스펙트럼을 측정하도록 설계되어 있으며, 현재의 원자로 방출 모델을 시험하는 데 중요한 기준이 된다.
• 기준 거리에 따른 스펙트럼 왜곡 측정을 통해 eV 규모의 비활성 중성자를 민감하게 탐색할 수 있으며, 관련 범위의 진동 매개변수에 대한 감도를 확보한다.
• 프로토타입 검출기(PROSPECT2 및 PROSPECT20)는 위상 기반 컷과 유효부분 설정을 통해 배경 거부를 시연하고 있으며, 전체 실험의 실현 가능성을 검증하고 있다.
• 전체 PROSPECT 시뮬레이션을 기준화하고 최종 검출기 조립 이전에 신뢰할 수 있는 배경 추정치를 도출하기 위해 검출기 및 배경 시뮬레이션을 광범위하게 수행 중이다.
• 내재된 방사성 배경과 내부 원천을 활용한 캘리브레이션 기술이 상대 및 절대 에너지 스케일 캘리브레이션을 정밀하게 달성하기 위해 프로토타ип화되고 있다.
• HFIR 현장에서의 운영 절차가 확립되어 있으며, 원격 데이터 전송 및 런 제어를 포함하여 전체 검출기 시스템의 효율적 구현을 가능하게 하였다.