[논문 리뷰] Technical Design Report (TDR): Searching for a Sterile Neutrino at J-PARC MLF (E56, JSNS2)

S. Ajimura, J. S. Jang외 51명|arXiv (Cornell University)|2017. 05. 24.

Neutrino Physics Research참고 문헌 10인용 수 32

한 줄 요약

이 기술 설계 보고서는 J-PARC의 MLF에서 진행되는 JSNS2 실험을 상세히 기술하며, 액체 심지 탐지기와 함께 고강도 산란 중성자원을 이용해 $ olimits\bar{\nu}_\mu \to \bar{\nu}_e$ 진동을 통해 비활성 뉴트리노를 탐색하는 것을 제안한다. 설계는 고강도 산란 중성자원, 120 mrad의 빔라인, 그리고 gadolinium을 함유한 액체 심지를 사용해 중성자 탐지 능력을 향상시키는 100톤 탐지기를 포함한다. 주요 결과는 $ olimits\sin^2 2\theta \sim 10^{-3}$ 수준의 감도를 확보하여 $ olimits\Delta m^2 \sim 1$ eV$^2$에서 LSND 이상현상에 대한 결정적인 검증이 가능하다.

ABSTRACT

In this document, the technical details of the JSNS$^2$ (J-PARC Sterile Neutrino Search at J-PARC Spallation Neutron Source) experiment are described. The search for sterile neutrinos is currently one of the hottest topics in neutrino physics. The JSNS$^2$ experiment aims to search for the existence of neutrino oscillations with $Δm^2$ near 1 eV$^2$ at the J-PARC Materials and Life Science Experimental Facility (MLF). A 1 MW beam of 3 GeV protons incident on a spallation neutron target produces an intense neutrino beam from muon decay at rest. Neutrinos come predominantly from $μ^+$ decay: $μ^{+} o e^{+} + \barν_μ + ν_{e}$. The experiment will search for $\barν_μ$ to $\barν_{e}$ oscillations which are detected by the inverse beta decay interaction $\barν_{e} + p o e^{+} + n$, followed by gammas from neutron capture on Gd. The detector has a fiducial volume of 17 tons and is located 24 meters away from the mercury target. JSNS$^2$ offers the ultimate direct test of the LSND anomaly. In addition to the sterile neutrino search, the physics program includes cross section measurements with neutrinos with a few 10's of MeV from muon decay at rest and with monochromatic 236 MeV neutrinos from kaon decay at rest. These cross sections are relevant for our understanding of supernova explosions and nuclear physics.

연구 동기 및 목표

• J-PARC MLF의 산란 중성자원을 통해 생성된 뉴트리노의 붕괴에 의해 유도되는 $ olimits\bar{\nu}_\mu$를 이용해 비활성 뉴트리노를 탐색한다.
• 높은 감도로 $ olimits\bar{\nu}_\mu \to \bar{\nu}_e$ 진동 파rameter를 측정하여 LSND 이론적 이상현상을 검증한다.
• 뉴트리노-핵 반응의 횡단면을 측정하며, 특히 $ olimits^{12}\text{C}(\nu_e,e^-)^{12}\text{N}$ 반응을 중심으로 뉴트리노-핵 상호작용 연구를 수행한다.
• 엄격한 안전성 및 구조적 요구사항을 충족시키며 고방사선 환경에서 안정적으로 작동할 수 있는 탐지기 시스템을 개발한다.

제안 방법

• 프로톤에 의한 산란 타겟에서 생성된 뮤온의 정지 붕괴를 통해 고강도 $ olimits\bar{\nu}_\mu$를 생성하는 J-PARC MLF를 활용한다.
• 중성자 탐지를 향상시키기 위해 $^{157}\text{Gd}(n,\gamma)^{158}\text{Gd}$ 포획 반응을 이용한 gadolinium 함유 액체 심지로 구성된 100톤 탐지기를 구축한다.
• 스테인리스 스틸 및 아크릴 탱크, 기름 누출 방지 장치, 비상 배수관 등을 포함한 다층 안전 시스템을 구현해 액체 심지를 안정적으로 봉인한다.
• 고신호 대 잡음 비율을 확보하기 위해 자기 차폐 및 노이즈 억제 기능을 갖춘 포토멀티플라이어 튜브(PMT) 시스템을 적용한다.
• 정적 및 지진 하중에 대한 구조적 무결성을 검증하기 위해 유한요소법(FEM) 분석을 수행하며, 핀과 고무 마운트를 통해 지진 발생 시 탐지기 이동을 방지한다.
• 펄스 형태 분리(PSD) 및 에너지 해상도 기법을 적용해 전자 유사 사건과 배경을 구분한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 JSNS2 실험은 $ olimits\sin^2 2\theta \sim 10^{-3}$ 및 $ olimits\Delta m^2 \sim 1$ eV$^2$ 조건에서 $ olimits\bar{\nu}_\mu \to \bar{\nu}_e$ 진동을 충분한 감도로 탐지할 수 있는가?
• RQ2 우주선, 방사성 붕괴 및 빔 관련 과정으로부터 기대되는 탐지기 내 배경 수준은 어느 정도인가?
• RQ3 탐지기의 구조 설계는 운영 중 지진 하중과 기계적 응력에 어떻게 견딜 수 있는가?
• RQ4 펄스 형태 분리 및 에너지 해상도 성능이 $ olimits\bar{\nu}_e$ 상호작용에서 유도된 전자 유사 사건을 식별하는 데 얼마나 효과적인가?
• RQ5 PSD 및 에너지 임계값을 활용해 $ olimits\bar{\nu}_e$ 사건을 $ olimits\bar{\nu}_\mu$ 및 $ olimits\bar{\nu}_e$ 배경에서 신뢰성 있게 구분할 수 있는가?

주요 결과

• 탐지기는 $ olimits\Delta m^2 \sim 1$ eV$^2$ 조건에서 $ olimits\sin^2 2\theta \sim 10^{-3}$ 수준의 감도를 확보할 것으로 예측되며, 이는 LSND 이상현상을 검증하는 데 충분하다.
• FEM 분석 결과, 탐지기의 구조는 지진 하중을 견딜 수 있으며, 최대 응력(91.5 MPa)은 허용 한계(237.9 MPa) 이하로 안전하다.
• 지진 발생 시 최대 변위는 9.75 mm이며, 최대 기울기는 1/320 이며, 모두 안전한 여유 범위 내에 있다.
• 바닥에 탐지기를 고정하는 핀 시스템은 수평 방향 하중 최대 49,750 kg을 견딜 수 있으며, 콘크리트에 작용하는 압력은 62.2 kg/cm²로, 허용치(91.8 kg/cm²) 이하이다.
• 탐지기 자체의 고유 진동 모드는 매우 짧은 주기성을 가지며, 일반적인 지진 주파수에 민감하지 않아 동적 응력이 감소한다.
• 액체 심지 시스템은 대량 생산 가능한 gadolinium 함유 심지로, 고순도 및 안정성을 확보하기 위해 최적화된 정제 및 합성 공정을 적용한다.