[论文解读] IsoDAR@Yemilab: A Conceptual Design Report for the Deployment of the Isotope Decay-At-Rest Experiment in Korea's New Underground Laboratory, Yemilab

J. Alonso, K. M. Bang+13 more|arXiv (Cornell University)|Oct 20, 2021

Neutrino Physics Research参考文献 35被引用 5

一句话总结

本概念设计报告概述了在韩国新建成的地下实验室——耶米实验室（Yemilab）部署IsoDAR实验的方案，利用紧凑型回旋加速器通过静止的$^8$Li衰变产生高强度、纯净的电子反中微子（$ar{\nu}_e$）通量。该装置可在2.5千吨液态闪烁体探测器中，通过逆β衰变和电子中微子-电子弹性散射，实现对惰性中微子振荡及标准模型之外新物理的高精度测试，同时提供了针对场地基础设施、辐射防护及低本底环境下组件安装的详细规划。

ABSTRACT

This Conceptual Design Report addresses the site-specific issues associated with the deployment of the IsoDAR experiment at the Yemilab site. IsoDAR@Yemilab pairs the IsoDAR cyclotron-driven $\barν_e$ source with the proposed Liquid Scintillator Counter (LSC) 2.5 kton detector. This document describes the proposed siting: requirements for the caverns to house the cyclotron, beam transport line, and target systems; issues associated with transport and assembly of components on the site; electrical power, cooling and ventilation; as well as issues associated with radiation protection of the environment and staff of Yemilab who will be interfacing with IsoDAR during its operational phases. The onset of construction of the IsoDAR area at Yemilab, in tandem with the release of this design report, represents a key step forward in establishing IsoDAR@Yemilab.

研究动机与目标

• 为在韩国新建成的地下实验室——耶米实验室（Yemilab）部署IsoDAR实验，制定特定场地的概念设计方案，以实现高灵敏度中微子物理研究。
• 解决在深地洞穴中安置回旋加速器、束流传输与靶系统所面临的工程与安全挑战。
• 在建设与运行期间确保辐射防护与人员安全，尤其关注中子与伽马射线活化的影响。
• 实现对电子反中微子振荡与弹性散射的精确测量，以探测惰性中微子及标准模型之外的新物理。
• 支持IsoDAR与耶米实验室内其他低本底实验共址运行，且互不干扰。

提出的方法

• 利用60 MeV/amu的紧凑型回旋加速器加速H$_2^+$离子，通过剥离产生质子，再将其轰击$^9$Be靶以生成中子。
• 中子被99.99%同素纯度的$^7$Li套筒捕获，生成$^8$Li，其839毫秒的半衰期衰变时发射高强度、单能的$\bar{\nu}_e$通量，峰值能量约为6 MeV。
• 采用液态闪烁体计数器（LSC）探测器，有效质量为2.57千吨，位于17米基线处（范围9.5–25.9米），通过逆β衰变（$\bar{\nu}_e + p \to e^+ + n$）与电子散射探测$\bar{\nu}_e$。
• 为回旋加速器、束流传输（MEBT）与靶系统设计专用洞穴，配备详细的屏蔽与通风系统，以最大限度降低本底与辐射暴露。
• 实施分级辐射防护策略，包括受控进入区域、实时监测、联锁系统与个人防护装备（PPE）规程，并对断束后进入实施严格程序。
• 实施全面的环境控制措施，涵盖空气、湿度与地下水，通过隔离与监测防止放射性污染。

实验结果

研究问题

• RQ1 紧凑型回旋加速器驱动的$\bar{\nu}_e$源能否在耶米实验室这类深地地下实验室中安全、有效地部署，而不影响其他低本底实验？
• RQ2 在石灰岩基地下洞穴中安置IsoDAR加速器、束流传输与靶系统的关键场地特定工程与屏蔽要求是什么？
• RQ3 如何在建设与运行期间优化人员辐射防护，特别是针对短寿命活化产物及中子/伽马场？
• RQ4 长期岩石活化的主导来源是什么？屏蔽设计应如何优化以最小化对环境与人员的暴露？
• RQ5 能否有效将所需的2.5千吨液态闪烁体探测器与IsoDAR源耦合，以实现探测惰性中微子与精确电弱测量所需的灵敏度？

主要发现

• IsoDAR@Yemilab实验在技术上是可行的，预计运行5年，年均$\bar{\nu}_e$通量为$1.15 \times 10^{23}$，可实现高统计精度测量。
• 预计可产生约$1.9 \times 10^6$次逆β衰变事件与8,000次电子中微子-电子弹性散射事件，经优化筛选后。
• 回旋加速器与靶系统设计为80%占空比运行，质子打靶速率达每年$1.97 \times 10^{24}$，确保高强度$\bar{\nu}_e$源。
• 屏蔽计算表明，中子与伽马辐射水平可有效控制，回旋加速器机库与靶区被指定为高危受控区域。
• 人员进入严格受控，通过断束联锁、辐射监测与受控区域程序实现，所有进入人员须佩戴PPE与剂量计。
• 实施了环境控制措施，包括集水槽与地下水监测，以防止放射性污染，由于石灰岩环境干燥，预计污染风险极低。