[논문 리뷰] Space-Time Discriminant to Separate Double-Beta Decay from $^8$B Solar Neutrinos in Liquid Scintillator

Runyu Jiang, A. Elagin|arXiv (Cornell University)|2019. 02. 19.

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한 줄 요약

이 논문은 액체 식각제 탐지기에서 무이중베타 붕괴(0νββ) 사건과 ⁸B 태양 중성자배경을 분리하기 위해 찰레노프 빛과 빛나는 빛의 도착 시간과 각도를 이용한 시공간 분류법을 제안한다. 찰레노프-식각제 시공간 경계를 정의하고 가중치가 부여된 구면 조화함수 분석을 적용함으로써, 신호 효율 90%와 70%일 때 각각 1.3배와 2.3배의 배경 감소를 달성하며, 추가적인 방향성 재구성 기능을 통해 보다 높은 수준의 배경 제거가 가능하다.

ABSTRACT

We present a technique for separating double beta-decay from $^8$B solar neutrino interactions in a liquid scintillator detector. The technique uses position and time of photo-electrons (PEs) to separate directional Cherenkov light from isotropic sintillation light in the reconstruction of the kinematics of candidate events. Here we introduce a Cherenkov-scintillation space time boundary defined as the light cone in the 2-dimensional space of the arrival time and the polar angle of each PE with respect to the axis from the center of the detector to the vertex. The PEs located near the boundary correspond to photons that were emitted early and contain a high fraction of directional Cherenkov PEs. We apply weights derived from the distance to the boundary of each individual PE, which are then used in a spherical harmonics analysis that separates the two-track event topology of double-beta decay from the one-track topology of $^8$B events. The Geant-4 simulation assumes a detector of 6.5 m radius filled with $^{130}$Te-loaded liquid scintillator and surrounded by photo-detectors with time and space resolutions of 100 ps and 3 mm respectively. The scintillation properties and photo-detector quantum efficiency are modeled after KamLAND. Assuming a fiducial volume of 3 m radius, a photo-coverage of 65% and vertex resolution of $σ_{r_v} = $ 5.2 cm at 2.53 MeV the method of reconstructing event topology predicts factors of 1.3 and 2.3 in background suppression at 90% and 70% signal efficiency respectively. Additionally, the PEs near the Cherenkov-scintillation space-time boundary can be used to reconstruct the directionality of one-electron candidate events, allowing for further $^8$B background suppression due to the correlation between the direction of the scattered electron and the position of the sun. We find polar and azimuthal angular resolutions of 0.46 and 0.84 radians respectively.

연구 동기 및 목표

• 대규모 액체 식각제 탐지기에서 ⁸B 태양 중성자배경 문제를 해결하기 위해.
• 광전자도의 고해상도 시간 및 위치 측정을 활용해 이중궤적 0νββ 붕괴 사건과 단일궤적 ⁸B 중성자 사건을 구분할 수 있는 방법을 개발하기 위해.
• 8B 사건의 전자 궤적에서 발생하는 찰레노프 빛의 방향성 특성을 활용해 배경 감소를 향상시키기 위해.
• 태양과의 상관관계를 이용해 산산각질 전자 방향성을 재구성함으로써 8B 배경을 추가로 감소시키기 위해.
• 미래 탐지기 최적화를 위해 광감도 및 복합점 해상도와 같은 탐지기 파rameter에 따른 성능 의존성을 평가하기 위해.

제안 방법

• 탐지기 중심에서 복합점 축에 대해 상대적인 광전자(PE) 도착 시간과 극각을 포함한 2차원 공간에서 찰레노프-식각제 시공간 경계를 정의한다.
• 각 PE의 경계와의 거리에 따라 가중치를 할당하여 찰레노프 성분이 높은 초기에 방출된 PE에 주목한다.
• 구면 조화함수에서 유도된 회전 불변의 S스펙트럼을 사용해 가중치가 부여된 PE 분포에서 사건의 구조를 재구성한다.
• 구조적 특징을 바탕으로 최대우도 추정을 적용해 사건을 이중궤적(0νββ) 또는 단일궤적(⁸B)으로 분류한다.
• 가중치가 부여된 PE의 각도 분포를 이용해 단일 전자 사건에 대해 전자 산산각 방향을 방향성 재구성한다.
• 8B 산산각 전자 방향과 태양 위치 간의 상관관계를 활용해 잔여 배경을 감소시킨다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 액체 식각제에서 광전자 도착 시간 및 각도 분포를 기반으로 한 시공간 분류법이 0νββ 붕괴 사건과 ⁸B 태양 중성자배경 사건을 효과적으로 분리할 수 있는가?
• RQ2 찰레노프-식각제 시공간 경계는 구조 재구성에 있어 찰레노프 주도의 초기 광전자 식별에 얼마나 효과적으로 기여하는가?
• RQ3 산산각 전자 방향성 재구성은 8B가 지배하는 환경에서 배경 감소에 얼마나 기여하는가?
• RQ4 광감도 및 복합점 해상도는 구조 및 방향성 재구성 기술의 성능에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 찰레노프-식각제 광전자 수확 효율을 향상시킬 경우 배경 감소에 어떤 개선이 이루어지는가?

주요 결과

• 기본 탐지기 구성에서 구조 재구성 방법은 90% 신호 효율일 때 1.3배, 70% 신호 효율일 때 2.3배의 배경 감소 요인을 달성한다.
• 방향성 재구성의 극각 해상도는 0.46 라디안이며, 자오선 해상도는 0.84 라디안이며, 극각에 대한 루트 평균 제곱 오차는 0.49 라디안이다.
• 광감도가 65%를 초과할 경우 구조 및 방향성 재구성 성능 향상에 대한 수익 감소 효과가 나타난다.
• 찰레노프-식각제 광전자 수확 비율을 향상시키면 70% 신호 효율에서 약 50% 높은 배경 감소가 달성된다.
• 찰레노프-식각제 시공간 경계는 광전자 샘플을 찰레노프 빛으로 효과적으로 풍부화시켜 강력한 구조 및 방향성 재구성 가능성을 제공한다.
• 이 방법의 성능은 액체 식각제의 물성 및 빛 수확 시스템의 해상도에 민감하므로, 향후 탐지기 개발은 짧은 방출 파장, 긴 상승 시간, 고시간 해상도 및 빨간색 감도가 높은 광음극을 중심으로 해야 한다고 제안된다.