[논문 리뷰] Status Report for the 20th J-PARC PAC : A Search for Sterile Neutrino at J-PARC MLF (J-PARC E56, JSNS2)

Masahide Harada, S. Hasegawa외 29명|arXiv (Cornell University)|2015. 07. 25.

Neutrino Physics Research참고 문헌 3인용 수 7

한 줄 요약

이 논문은 J-PARC의 JSNS2 실험을 위한 R&D 현황을 보고하며, 액체 scintillator 검출기를 사용하여 역베타붕괴를 통해 비활성 중성자를 탐지하고자 한다. Cherenkov 빛과 펄스 형상 분류(PSD)를 이용하여 우주선에 의해 유도된 빠른 중성자를 100배 감소시키는 데 성공하였으며, 제한된 검출기 기하구조 내에서 고밀도, 소형 광검출기로 SiPM을 시험하고 있다.

ABSTRACT

On April 2015, the J-PARC E56 (JSNS2: J-PARC Sterile Neutrino Search using neutrinos from J-PARC Spallation Neutron Source) experiment officially obtained stage-1 approval from J-PARC. We have since started to perform liquid scintillator R&D for improving energy resolution and fast neutron rejection. Also, we are studying Avalanche Photo-Diodes (SiPM) inside the liquid scintillator. In addition to the R&D work, a background measurement for the proton beam bunch timing using a small liquid scintillator volume was planned, and the safety discussions for the measurement have been done. This report describes the status of the R&D work and the background measurements, in addition to the milestones required before stage-2 approval.

연구 동기 및 목표

• 액체 scintillator 검출기에서 우주선에 의해 유도된 빠른 중성자를 고거부율로 제거하여 희귀한 비활성 중성자 신호 탐지 가능성을 확보한다.
• 입자 식별을 위해 액체 scintillator에서 Cherenkov 빛과 펄스 형상 분류(PSD) 기법의 정량적 성능을 확립한다.
• 공간 제약이 있는 검출기 설계에서 SiPM(APD)를 소형, 고밀도 광검출기로 사용할 수 있는지 타당성을 평가한다.
• 프로톤 번치 타이밍 배경를 특성화하기 위해 1.6L 액체 scintillator 검출기를 사용하여 배경 측정을 수행한다.
• 50톤, 1MW 비틀림 조건에서 고에너지 해상도와 낮은 배경을 확보하기 위한 검출기 설계 최적화를 수행한다.

제안 방법

• 수 또는 희석된 scintillator로 채운 10L 실린더형 프로토타입을 사용하여 Cherenkov 빛과 scintillation 빛 간의 시간 차이를 교차 확인하기 위해 Cherenkov 빛 타이밍 측정을 수행하였다.
• Gd 도핑된 액체 scintillator(GdLS)에서 펄스 형상 분류(PSD)를 시험하기 위해 0.1L 프로토타입을 사용하였으며, 빠른 중성자에 기인한 프로톤 신호와 IBD 사건에 기인한 양전자 신호의 형상 차이를 비교하였다.
• 광학적 안정성과 윈도우 무결성을 평가하기 위해 광물 기름과 액체 scintillator(LAB)에 세 가지 유형의 MPPC SiPM을 노출시켜 평가하였다.
• PSD 최적화를 위해 샘플링 속도 >500 MS/s 및 >10비트의 플래시 ADC를 사용하여 scintillation 빛 파형을 정밀하게 재구성하였다.
• MLF 3층에서 1.6L 액체 scintillator 검출기를 사용하여 프로톤 번치 타이밍 동안 입자 조건을 특성화하기 위한 배경 측정을 수행하였다.
• 향후 계획으로 대규모 검출기의 PSD 성능에 대한 MC 시뮬레이션을 수행할 예정이며, 빛 감쇠, 반사, 원천 위치 재구성 영향을 고려할 것이다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 LSND에서처럼 액체 scintillator에서 Cherenkov 빛 탐지가 우주선에 의해 유도된 빠른 중성자를 100배 감소시킬 수 있는가?
• RQ2 Gd 도핑된 액체 scintillator에서의 펄스 형상 분류(PSD) 기법이 Cherenkov 기반 방법을 초월하여 중성자 감소 성능을 독립적으로 향상시킬 수 있는가?
• RQ3 액체 scintillator(LAB) 또는 광물 기름에 잠긴 상태에서 SiPM(MPPC)의 장기 성능과 방사선 안정성은 어떠한가?
• RQ4 대규모 검출기에서 빛 감쇠, 탱크 반사, 원천 위치 재구성 왜곡은 PSD 성능에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 프로톤 번치 타이밍 창 동안 실제 배경 조건은 어떠한가, 그리고 중성자와 감마선을 식별함으로써 이를 줄일 수 있는가?

주요 결과

• 10L 프로토타입에서 Cherenkov 타이밍 방법을 통해 빠른 중성자 100배 감소를 달성하였으며, 이는 JSNS2에 대한 이 기법의 실현 가능성을 확인한 것이다.
• 0.1L 프로토타입에서 Gd 도핑된 액체 scintillator에서 프로톤 및 양전자 사건 간 명확한 분리가 이루어졌으며, PSD 도구의 우수도(FOM)는 0.85로 확인되었다.
• 액체 scintillator(LAB)에 노출된 SiPM(MPPC)는 특히 실리콘 윈도우가 있는 세라믹 패키지에서 24시간 이내에 윈도우 변형과 흐림 현상이 발생하였다.
• 1.6L 검출기 배경 측정은 성공적으로 계획되고 안전성 검토를 통과하였지만, 시설 사고(화재, 냉각 문제)로 아직 실행되지 않았다.
• Cherenkov 빛을 통한 빠른 중성자 100배 감소가 확인되었으며, 소형 프로토타입에서 PSD를 통한 100배 감소도 성공적으로 입증되어 총 100배 감소 가정이 타당하다고 지지된다.
• 향후 검출기 최적화는 반사 감소, 시간 해상도 향상(>500 MS/s), 빛 수확 증가 및 원천 위치 재구성 향상을 중심으로 해야 한다.