[논문 리뷰] Exploring CEvNS with NUCLEUS at the Chooz Nuclear Power Plant

G. Angloher, F. Ardellier-Desages외 35명|arXiv (Cornell University)|2019. 05. 24.

Particle physics theoretical and experimental studies참고 문헌 7인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 쿨로닉 검출기의 에너지 임계값이 20 eV에 불과한 놀라운 수준의 해상도를 갖춘 차오즈 원자력 발전소에서 실시되는 차세대 CE$ν$NS(coherent elastic neutrino-nucleus scattering) 연구인 NUCLEUS 실험을 제시한다. Very-Near-Site(VNS)에서 10 g의 타겟을 사용하는 NUCLEUS는 1년 이내에 CE$ν$NS에 대해 4σ 민감도를 확보하며, 1.8 MeV 이하의 저에너지 중성미자 스펙트럼 탐색과 제1단계에서 1% 수준의 정밀한 단면적 측정을 가능하게 한다.

ABSTRACT

Coherent elastic neutrino-nucleus scattering (CE$ν$NS) offers a unique way to study neutrino properties and to search for new physics beyond the Standard Model. Nuclear reactors are promising sources to explore this process at low energies since they deliver large fluxes of (anti-)neutrinos with typical energies of a few MeV. In this paper, a new-generation experiment to study CE$ν$NS is described. The NUCLEUS experiment will use cryogenic detectors which feature an unprecedentedly low energy threshold and a time response fast enough to be operated in above-ground conditions. Both sensitivity to low-energy nuclear recoils and a high event rate tolerance are stringent requirements to measure CE$ν$NS of reactor antineutrinos. A new experimental site, denoted the Very-Near-Site (VNS) at the Chooz nuclear power plant in France is described. The VNS is located between the two 4.25 GW$_{\mathrm{th}}$ reactor cores and matches the requirements of NUCLEUS. First results of on-site measurements of neutron and muon backgrounds, the expected dominant background contributions, are given. In this paper a preliminary experimental setup with dedicated active and passive background reduction techniques is presented. Furthermore, the feasibility to operate the NUCLEUS detectors in coincidence with an active muon-veto at shallow overburden is studied. The paper concludes with a sensitivity study pointing out the promising physics potential of NUCLEUS at the Chooz nuclear power plant.

연구 동기 및 목표

• 초저에너지 임계값을 갖는 쿨로닉 검출기를 사용하여 원자로에서 공명 탄성 중성미자-핵 산란(CE$ν$NS)을 관측하는 것.
• 역베타붕괴 임계값 이하인 1.8 MeV 이하의 원자로 반중성미자 스펙트럼을 측정하는 것.
• 표준모형을 초월한 새로운 물리 현상을 탐색하기 위해 1% 수준의 고정밀 단면적 측정을 달성하는 것.
• 낮은 임계값의 CE$ν$NS 실험을 얕은 지하 환경에서 운영하는 데의 가능성을 입증하는 것.

제안 방법

• 4.25 GW$_{th}$의 원자로 두 대 사이에 위치한 차오즈 원자력 발전소의 Very-Near-Site(VNS)에서 20 eV 에너지 임계값을 갖는 쿨로닉 검출기를 설치한다.
• 다양한 핵성분을 갖는 다중타겟 접근법을 통해 CE$ν$NS와 중성자 배경을 그들의 고유한 핵 반동 의존성에 따라 구분한다.
• 백그라운드를 100 counts/(keV·kg·day) 이하로 줄이기 위해 능동 및 수동 캐비닛을 적용한다.
• 얕은 지하 환경(~3 m.w.e.)에서도 백그라운드에 의한 정지시간이 10% 이하로 유지되도록 빠른 상승시간 특성을 갖는 검출기 반응을 도입한다.
• 백그라운드 기여를 모델링하고 검출기 구성 최적화를 위해 몬테카를로 시뮬레이션을 수행한다.
• 지상 운영 조건에서의 백그라운드를 추가로 억제하기 위해 공진동 중성자 감지기 시스템을 도입한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 20 eV 에너지 임계값을 갖는 쿨로닉 검출기를 사용하여 10 g 타겟을 갖는 원자로 현장에서 CE$ν$NS를 관측할 수 있는가?
• RQ2 백그라운드 수준이 100 counts/(keV·kg·day)일 때, NUCLEUS 실험이 차오즈 VNS 현장에서 CE$ν$NS에 대해 어떤 민감도를 갖는가?
• RQ3 CE$ν$NS를 이용하여 1.8 MeV 이하의 반중성미자 스펙트럼을 탐색할 수 있으며, 이를 위해 필요한 에너지 해상도는 무엇인가?
• RQ4 낮은 임계값 실험에서 다중타겟 접근법은 중성자 배경과의 신호를 어떻게 효과적으로 분리할 수 있는가?
• RQ5 NUCLEUS-1kg 단계에서 CE$ν$NS 단면적 측정의 가능 정밀도는 얼마이며, 어떤 체계적 불확실성을 줄여야 하는가?

주요 결과

• 기준 백그라운드 모델 하에서 NUCLEUS-10g 실험은 실시간 1년 이내에 CE$ν$NS에 대해 4σ 민감도를 확보한다.
• 기준 백그라운드 모델을 가정할 경우, CE$ν$NS의 첫 관측은 실시간 2주 내에 예상된다.
• 실험은 역베타붕괴 탐지 기술로는 접근이 불가능한 1.8 MeV 이하의 원자로 반중성미자 스펙트럼을 탐색한다.
• 다중타겟 접근법은 배경의 형태에 대한 사전 지식 없이도, 서로 다른 핵성분 의존성 덕분에 신호와 중성자 배경을 효과적으로 분리할 수 있다.
• NUCLEUS-1kg 단계는 CE$ν$NS 단면적에 대해 약 1% 수준의 최종 정밀도를 달성할 것으로 예측되며, 이를 위해서는 원자로 반중성미자 스펙트럼 예측의 향상이 필요하다.
• VNS 현장은 약 10$^{12}$ $υ$/(s·cm²)의 높은 반중성미자 플럭스와 약 3 m.w.e.의 얕은 지하 환경을 제공하여 최소한의 캐비닛으로도 운영이 가능하다.