[论文解读] Feasibility and physics potential of detecting $^8$B solar neutrinos at JUNO

JUNO collaboration, Angel Abusleme+595 more|arXiv (Cornell University)|Jun 21, 2020

Neutrino Physics Research参考文献 47被引用 13

一句话总结

本文展示了在JUNO实验中使用20千吨液态闪烁体探测器探测⁸B太阳中微子的可行性，通过能谱畸变和昼夜不对称性实现对Δm²₂₁两个取值的95%置信度（2σ）分辨能力。在本底放射性极低（²³⁸U和²³²Th为10⁻¹⁷ g/g）的条件下，能量阈值降低至2 MeV，从而实现对Δm²₂₁的高精度测量，精度为4.8⁺⁰.⁸₋₀.⁵ × 10⁻⁵ eV²。

ABSTRACT

The Jiangmen Underground Neutrino Observatory~(JUNO) features a 20~kt multi-purpose underground liquid scintillator sphere as its main detector. Some of JUNO's features make it an excellent experiment for $^8$B solar neutrino measurements, such as its low-energy threshold, its high energy resolution compared to water Cherenkov detectors, and its much large target mass compared to previous liquid scintillator detectors. In this paper we present a comprehensive assessment of JUNO's potential for detecting $^8$B solar neutrinos via the neutrino-electron elastic scattering process. A reduced 2~MeV threshold on the recoil electron energy is found to be achievable assuming the intrinsic radioactive background $^{238}$U and $^{232}$Th in the liquid scintillator can be controlled to 10$^{-17}$~g/g. With ten years of data taking, about 60,000 signal and 30,000 background events are expected. This large sample will enable an examination of the distortion of the recoil electron spectrum that is dominated by the neutrino flavor transformation in the dense solar matter, which will shed new light on the tension between the measured electron spectra and the predictions of the standard three-flavor neutrino oscillation framework. If $Δm^{2}_{21}=4.8 imes10^{-5}~(7.5 imes10^{-5})$~eV$^{2}$, JUNO can provide evidence of neutrino oscillation in the Earth at the about 3$σ$~(2$σ$) level by measuring the non-zero signal rate variation with respect to the solar zenith angle. Moveover, JUNO can simultaneously measure $Δm^2_{21}$ using $^8$B solar neutrinos to a precision of 20\% or better depending on the central value and to sub-percent precision using reactor antineutrinos. A comparison of these two measurements from the same detector will help elucidate the current tension between the value of $Δm^2_{21}$ reported by solar neutrino experiments and the KamLAND experiment.

研究动机与目标

• 评估在JUNO实验中使用20千吨液态闪烁体探测器探测⁸B太阳中微子的可行性。
• 评估利用能谱畸变和昼夜不对称性测量太阳中微子质量平方差Δm²₂₁的精度。
• 确定实现高精度测量所需的本底抑制水平。
• 研究通过碳核上的中性流和带电流相互作用探测hep太阳中微子的潜力。

提出的方法

• 基于全面的本底研究，采用能量依赖的活性体积（FV）切割策略，以最大化信号暴露量并最小化外部本底。
• 实施基于距离和时间的μ子径迹 veto 策略，以抑制宇宙射线产生的核素（如¹⁰C和⁶He）。
• 利用⁸B中微子与电子的弹性散射（ES）重建能谱，并通过谱形畸变提取Δm²₂₁。
• 测量⁸B中微子通量的昼夜不对称性，以探测中微子振荡参数。
• 评估²¹⁰Po衰变及U/Th链污染物在2–5 MeV能量范围对信噪比的贡献。
• 分析中性流（NC）和带电流（CC）在¹²C和¹³C上的相互作用，探索hep中微子的额外探测通道。

实验结果

研究问题

• RQ1 JUNO能否实现足够的本底抑制，以在2 MeV能量阈值下探测⁸B太阳中微子？
• RQ2 在JUNO实验中，利用⁸B中微子能谱畸变和昼夜不对称性测量Δm²₂₁的精度如何？
• RQ3 本征放射性水平（²³⁸U、²³²Th、²¹⁰Po）如何影响信噪比和能量阈值？
• RQ4 νₓ–¹²C中性流和νₑ–¹³C带电流反应通道能否增强对hep太阳中微子的探测灵敏度？
• RQ5 对两个竞争的Δm²₂₁取值（例如4.8×10⁻⁵ eV²与7.5×10⁻⁵ eV²）的分辨灵敏度如何？

主要发现

• 当²³⁸U和²³²Th本征水平为10⁻¹⁷ g/g，且²¹⁰Po衰变速率为2,600 cpd/kt时，⁸B中微子探测的能量阈值可降低至2 MeV。
• Δm²₂₁测量精度达到4.8⁺⁰.⁸₋₀.⁵ × 10⁻⁵ eV²，灵敏度Δχ² ≈ 5.3，对应于对两个Δm²₂₁取值的超过2σ分辨能力。
• 昼夜不对称性贡献约50%的不确定度，⁸B中微子通量不确定度贡献约25%，谱形不确定度贡献约10%。
• 若²¹⁰Po衰变速率超过10,000 cpd/kt，2–5 MeV能量区间内信噪比将从35降至0.6，导致性能显著下降。
• 当U/Th污染水平达到10⁻¹⁵ g/g时，分析能量阈值上升至5 MeV，灵敏度下降至Δχ² ≈ 3.5，分辨能力略低于2σ。
• 当U/Th水平低于10⁻¹⁷ g/g时，进一步优化已无显著改善，因宇宙射线产生的¹⁰C和⁶He本底在2–5 MeV能量区间占主导地位。