[논문 리뷰] Slow-Fluor Scintillator for Low Energy Solar Neutrinos and Neutrinoless Double Beta Decay

Jack Dunger, E. J. Leming외 1명|arXiv (Cornell University)|2022. 03. 02.

Neutrino Physics Research참고 문헌 17인용 수 7

한 줄 요약

이 논문은 대규모 검출기에서 측광 및 방향 분리 검출을 가능하게 하기 위해 아세나프테인을 주요 형광체로 사용하는 저속 플루오르 액체 스크린티레이터를 제안한다. 시뮬레이션 결과, 단지 30%의 포토카소드 커버리지로도 이러한 검출기는 몇 킬로톤년의 노출으로 CNO 태양 중성미자 흐름을 10% 이내의 정밀도로 측정할 수 있으며, 태양축을 따라 방향성 거부를 통해 0νββ 탐색에서 태양 중성미자 배경을 약 10배 감소시킬 수 있다.

ABSTRACT

The potential for using slow-fluor liquid scintillators to study low energy solar neutrinos and neutrinoless double beta decay (0nbb) is explored through a series of simulations. The fluorescence model assumed for the primary fluor has characteristics similar to acenaphthene, recently used to demonstrate Cherenkov separation at energies around 1 MeV. Results here indicate notably better directional reconstruction in large-scale detectors than has previously been suggested by other approaches, allowing better identification of low energy solar neutrinos. These studies indicate that a detector with as little as ~30% coverage using currently available photomultiplier tubes could be able to make a measurement of the CNO solar neutrino flux to a precision of better than 10% (enough to distinguish metallicity models) with a few kiloton-years of exposure. In terms of 0nbb studies here suggest that the ability to separate mechanisms based on angular distributions is weak, but that the rejection of solar neutrino backgrounds with such a technique might potentially approach a factor of 10 for endpoint energies near 2.5 MeV in the angular hemisphere defined by the solar direction.

연구 동기 및 목표

• 저속 플루오르 스크린티레이터에 아세나프테인을 사용하여 저에너지 태양 중성미자 및 무중성미자 이중베타 붕괴(0νββ)를 탐지할 수 있는지의 가능성을 평가하는 것.
• 시간 분리된 신호를 이용한 대규모 액체 스크린티레이터 검출기에서 측광 빛의 방향 재구성 성능을 평가하는 것.
• 태양 중성미자로부터의 방향 정보를 활용하여 0νββ 실험에서의 배경을 양적으로 억제하는 것.
• 방향 감도와 에너지 해상도를 극대화하기 위해 최적의 스크린티레이터 조성(보조 형광체 유무 포함)을 결정하는 것.
• 실제로 가능한 PMT 커버리지 및 타이밍 응답 조건 하에서 검출기 성능을 평가하는 것.

제안 방법

• 전체 광자 전송(반사, 굴절, 산란, 흡수 포함)을 고려한 SNO+ GEANT4 기반 RAT 소프트웨어 패키지를 사용하여 시뮬레이션을 수행하였다.
• 8.8m 반지름의 구형 아크릴 용기(8" 하마마츠 R5912 PMT, 77% 효율적 포토카소드 커버리지)를 모델링하였으며, PMT와 용기 사이에는 물로 채워진 간격을 두었다.
• 스크린티레이터는 선형알킬벤젠(LAB)에 4 g/L의 아세나프테인을 첨가하여 저속 형광체로 모델링하였으며, 약 45 ns의 붕괴 시간을 가지며 측광 빛 분리에 유리하다.
• 광량 향상 및 방출 파장의 장파장 이동으로 흡수 감소를 위해 보조 형광체인 비스-MSB(0 또는 1 mg/L)를 테스트하였다.
• PMT 충돌 시간 및 입자 방향에 대한 각도에 대한 2차원 확률밀도함수를 피팅하여 최대우도 알고리즘을 사용해 병합하여 소스 위치, 시간, 방향을 재구성하였다.
• 0νββ에서의 배경 억제 성능은 태양 반구 내 태양 중성미자 사건의 각도 분포와 검출기 나머지 부분의 분포를 비교하여 평가하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 아세나프테인을 사용하는 저속 플루오르 스크린티레이터가 대규모 검출기에서 측광 빛과 스크린티레이션 빛 간에 충분한 시간 분리를 가능하게 하여 방향성 재구성을 가능하게 할 수 있는가?
• RQ2 몇 킬로톤년의 노출으로 CNO 태양 중성미자 흐름을 10% 이내의 정밀도로 측정하기 위해 필요한 포토카소드 커버리지 수준은 어느 정도인가?
• RQ3 측광 빛의 방향 정보를 활용하여 0νββ 실험에서 태양 중성미자 배경을 어느 정도 감소시킬 수 있는가?
• RQ4 비스-MSB와 같은 보조 형광체의 포함 여부가 방향성 재구성 및 배경 제거 성능에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 측광 빛의 각도 분포로는 0νββ에서 왼쪽 편극과 오른쪽 편극의 마요라나 중성미자 교환 메커니즘(LNE 대 RHC)을 식별할 수 있는가?

주요 결과

• 상용의 HQE PMT를 사용하여 포토카소드 커버리지가 약 30%인 검출기라도 몇 킬로톤년의 노출으로 CNO 태양 중성미자 흐름을 10% 이내의 정밀도로 측정할 수 있다.
• 보조 형광체 없이 아세나프테인만을 사용할 경우 산란되지 않은 측광 빛의 탐지가 극대화되어 스크린티레이션 성분이 감소함으로써 방향 해상도가 향상된다.
• 0νββ 실험에서 태양 방향에 정렬된 각도 반구에서 태양 중성미자 배경이 약 10배 감소하며, 고배경 환경에서 신호 대 배경 비율이 약 1.6배 향상된다.
• 왼쪽 편극과 오른쪽 편극의 마요라나 중성미자 교환 메커니즘(LNE 대 RHC) 간의 방향성 구별 능력은 약 1σ 이내로 약한 편이며, 소스 재구성 사용 시 100개의 관측 0νββ 사건에서도 마찬가지다.
• 벤치탑 규모에서 입증된 측광 빛과 스크린티레이션 신호 간의 시간 분리는 10m 규모의 검출기에서도 효과적으로 유지되어 견고한 방향성 재구성을 가능하게 한다.
• 최대우도 피팅을 통한 소스 위치 및 방향 재구성은 PMT 충돌 시간과 각도의 2차원 PDF를 동시에 사용하여 시간, 위치, 방향을 동시에 추정함으로써 편향 없는 추정치를 얻는다.