[논문 리뷰] Status Report (BKG measurement): A Search for Sterile Neutrino at J-PARC MLF

Masahide Harada, S. Hasegawa외 32명|arXiv (Cornell University)|2015. 02. 08.

Neutrino Physics Research참고 문헌 3인용 수 12

한 줄 요약

이 논문은 J-PARC의 MLF 3층에서 액체 scintillator 검출기에서 역베타 붕괴를 이용한 스테일러 네트리노 탐색을 위한 타당성을 평가하기 위해 배경 측정 캠프를 수행한 결과를 보고한다. 500kg의 플라스틱 scintillator와 소규모 검출기를 사용하여, 빔 연관성 있는 빠른 중성자와 우연적 배경을 측정하였으며, 몬테카를로 시뮬레이션을 검증하고 배경 레이트가 최적화된 선택 조건을 적용할 경우 P56 실험에서 관측 가능한 수준임을 확인하였다. 이에 따라 Δm² ≈ 3.0 eV²에서 스테일러 네트리노 진동에 대한 민감도 확보가 가능하다.

ABSTRACT

At the 17th J-PARC PAC, which was held on September 2013, we proposed the sterile neutrino search at J-PARC MLF. After reviewing the proposal, PAC recommended to have a background measurement at the detector's candidate site location in their report to investigate whether the background rates can be manageable for the real experiment or not. Therefore, we have performed the background measurements (MLF; 2013BU1301 test experiment) during the summer of 2014, also following the 18th J-PARC PAC recommendations, and the measurements results are described here.

연구 동기 및 목표

• P56 실험 현장의 MLF 3층에서 빔 연관성 있는 빠른 중성자와 우연적 동시성 배경의 레이트 평가.
• 500kg 플라스틱 scintillator와 소형 검출기를 사용한 직접 측정을 통해 몬테카를로 시뮬레이션의 배경 레이트 검증.
• 역베타 붕괴(IBD) 신호를 통한 스테일러 네트리노 진동 탐지에 대한 P56 실험의 타당성 확인.
• IBD 이벤트의 배경를 억제하면서 신호 효율을 유지하기 위한 선택 기준 최적화.
• P56 스테일러 네트리노 탐색의 민감도 추정 및 실험 설계에 대한 데이터 기반 기초 제공.

제안 방법

• 2014년 여름에 MLF 3층에서 500kg 플라스틱 scintillator와 소형 검출기(NaI, NE213, 플라스틱 scintillator)를 사용해 배경 측정을 수행.
• 시간 및 에너지 조각화된 데이터를 이용해 빔 연관성 있는 빠른 중성자와 우연적 동시성 배경을 측정하였으며, 빔 번치 효과를 피하기 위해 3.5 μs 게이트 윈도우를 적용.
• PMT 웨이브폼을 디지털화하기 위해 65 MHz FADC 시스템을 사용하고, 우주선 중성자 피크(9 MeV, 18% 분해능)를 이용해 에너지 캘리브레이션을 수행.
• Pb 셸딩 구성을(0, 5, 10 cm) 사용해 감마 반사력과 MC 모델의 정합성 검증.
• 측정된 이벤트 레이트와 에너지 스펙트럼을 사용해 MC 시뮬레이션을 캘리브레이션하고, 4–10 MeV 범위에서 데이터에 정규화.
• P56 제안서의 선택 기준 적용: Δt_prompt (1–10 μs), Edelayed (6–12 MeV), Eprompt (20–60 MeV), Δtdelayed ≤ 100 μs, ΔVtx ≤ 60 cm.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 MLF 3층에서의 빔 연관성 있는 빠른 중성자와 우연적 배경 레이트는 P56 스테일러 네트리노 실험의 민감도 요구 조건 내에서 관리 가능한가?
• RQ2 몬테카를로 시뮬레이션은 감마와 빠른 중성자의 측정된 배경 레이트와 에너지 스펙트럼을 얼마나 잘 재현하는가?
• RQ3 Pb 셸딩과 선택 기준이 배경를 얼마나 줄이고, 同시에 IBD 신호 효율은 유지하는가?
• RQ4 빔과 우주선으로 인한 배경 수준은 P56 제안서의 가정과 일치하는가, 아니면 수정이 필요한가?
• RQ5 P56 검출기 구성에서 감마 및 중성자 배경에 대해 셸딩과 선택 기준의 효과적인 반사력은 얼마인가?

주요 결과

• 측정된 빔 연관성 있는 빠른 중성자 레이트는 1.12 × 10⁻³ Hz (통계적 불확실성 ±0.04 × 10⁻³ Hz)였으며, 몬테카를로 예측값 1.12 × 10⁻³ Hz와 양호한 일치를 보였다.
• 감마 배경 레이트는 4–10 MeV 범위에서 1.18 ± 0.04 × 10⁻³ Hz로 측정되었으며, MC 예측값 0.95 × 10⁻³ Hz와 20% 이내로 일치하였다.
• 감마 배경에 대한 MC 모델은 검증되었으며, 모든 Pb 셸딩 구성에서 반사력과 에너지 스펙트럼이 측정 결과와 일치하였다.
• 5cm 및 10cm Pb 셸딩은 감마 유도 이벤트를 각각 12.5배와 15.5배 감소시켜 효과적인 셸딩을 확인하였다.
• 모든 P56 선택 기준을 적용한 후 총 배경 레이트는 50톤의 민감 질량 기준로 4년당 37건으로 추정되었으며, 제안서의 기준과 일치하였다.
• MC 시뮬레이션의 검증과 측정된 배경 레이트는 P56 실험이 Δm² ≈ 3.0 eV²에서 sin²2θ ≈ 3.0 × 10⁻³ 수준의 스테일러 네트리노를 탐지할 수 있는 타당성을 뒷받침한다.