[论文解读] Coherent elastic neutrino-nucleus scattering: Terrestrial and astrophysical applications

M. Abdullah, H. Abele+273 more|arXiv (Cornell University)|Mar 14, 2022

Astrophysics and Cosmic Phenomena被引用 8

一句话总结

本文综述了相干弹性中微子-核子散射（CE$ν$NS）作为地球和天体中微子源的多功能探测工具，强调其在推进中微子物理、暗物质搜寻及精密测量方面的关键作用。论文提出下一代实验将采用低温探测器、方向性时间投影室（TPC）和大规模阵列，实现低于100 eV的能量阈值和无背景探测，从而实现对标准模型之外新物理的发现。

ABSTRACT

Coherent elastic neutrino-nucleus scattering (CE$ν$NS) is a process in which neutrinos scatter on a nucleus which acts as a single particle. Though the total cross section is large by neutrino standards, CE$ν$NS has long proven difficult to detect, since the deposited energy into the nucleus is $\sim$ keV. In 2017, the COHERENT collaboration announced the detection of CE$ν$NS using a stopped-pion source with CsI detectors, followed up the detection of CE$ν$NS using an Ar target. The detection of CE$ν$NS has spawned a flurry of activities in high-energy physics, inspiring new constraints on beyond the Standard Model (BSM) physics, and new experimental methods. The CE$ν$NS process has important implications for not only high-energy physics, but also astrophysics, nuclear physics, and beyond. This whitepaper discusses the scientific importance of CE$ν$NS, highlighting how present experiments such as COHERENT are informing theory, and also how future experiments will provide a wealth of information across the aforementioned fields of physics.

研究动机与目标

• 评估相干弹性中微子-核子散射（CE$ν$NS）在地球和天体中微子源中的科学潜力。
• 识别CE$ν$NS中的关键实验前沿，包括低能阈值探测和背景抑制。
• 评估CE$ν$NS与WIMP暗物质搜寻及亚GeV暗物质探测的互补性。
• 概述将CE$ν$NS探测扩展至1000 m³规模实验的未来实验路线图。
• 确立CE$ν$NS作为未来十年中微子与暗物质物理计划基石的地位。

提出的方法

• 采用多机构、多探测器方法，结合低温动能电感探测器（BULLKID）、低压负离子时间投影室（DRIFT）以及大质量分段锗或硅靶。
• 在深地实验室（如DUNE、LNGS、Boulby、Kamioka）等低本底环境中实现方向性灵敏度和无背景运行。
• 在核反冲中实现低于100 eV的能量阈值，以探测轻质暗物质和低能中微子相互作用。
• 利用束流打靶中微子源（如NuMI、DUNE）产生高强度、特性明确的中微子通量，用于CE$ν$NS测量。
• 将CE$ν$NS截面测量与天体中微子通量建模相结合，以检验中微子性质和新物理。
• 采用单片、高度多路复用的探测器阵列，在保持能量分辨率和分段能力的同时，将靶质量扩展至1 kg以上。

实验结果

研究问题

• RQ1 CE$ν$NS如何用于探测标准模型之外低能中微子相互作用中的新物理？
• RQ2 实现核反冲探测中低于100 eV能量阈值的最佳探测器技术是什么？
• RQ3 方向性和无背景探测如何提升对轻质暗物质和CE$ν$NS信号的探测灵敏度？
• RQ4 CE$ν$NS实验在多个地下站点实现1000 m³规模部署的前景如何？
• RQ5 CE$ν$NS在直接暗物质搜寻中如何作为本底和校准工具发挥作用？

主要发现

• 在DUNE近端探测器综合设施部署的1 m³ $ν$ BDX-DRIFT探测器，每年可探测到数起相干中微子-核子散射事件，且本底极低。
• DRIFT的负离子时间投影室技术在所有方向性暗物质探测器中实现最低能量阈值和最佳方向灵敏度，探测灵敏度比其他方向性探测器高出1,000倍。
• BULLKID旨在开发一种单片、高度分段的硅靶阵列，总质量达30–60 g，核反冲能量阈值约为100 eV。
• 未来实验可堆叠多个BULLKID阵列，实现超过1 kg的靶质量，从而实现高统计精度的CE$ν$NS测量。
• CE$ν$NS实验与WIMP和轻质暗物质搜寻具有互补性，CE$ν$NS截面测量是关键本底校准手段。
• COHERENT实验首次探测到CE$ν$NS，已推动全球范围扩展至多种中微子源和探测器技术。