[论文解读] JUNO sensitivity to $^7$Be, $pep$, and CNO solar neutrinos

A. C. Abusleme Hoffman, Thomas Adam+616 more|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2023

Neutrino Physics Research被引用 5

一句话总结

本文评估了在不同放射纯度情景下，JUNO 对中能太阳中微子（7Be、pep 和 CNO）的灵敏度。在 10 年曝光量下，JUNO 可实现对周期性调制的亚百分之一水平探测（在 BX 类似情景下最低达 0.3%），显著优于现有极限，从而实现对太阳中微子通量及振荡效应的精确测量。

ABSTRACT

The Jiangmen Underground Neutrino Observatory (JUNO), the first multi-kton liquid scintillator detector, which is under construction in China, will have a unique potential to perform a real-time measurement of solar neutrinos well below the few MeV threshold typical for Water Cherenkov detectors. JUNO's large target mass and excellent energy resolution are prerequisites for reaching unprecedented levels of precision. In this paper, we provide estimation of the JUNO sensitivity to 7Be, pep, and CNO solar neutrinos that can be obtained via a spectral analysis above the 0.45 MeV threshold. This study is performed assuming different scenarios of the liquid scintillator radiopurity, ranging from the most opti mistic one corresponding to the radiopurity levels obtained by the Borexino experiment, up to the minimum requirements needed to perform the neutrino mass ordering determination with reactor antineutrinos - the main goal of JUNO. Our study shows that in most scenarios, JUNO will be able to improve the current best measurements on 7Be, pep, and CNO solar neutrino fluxes. We also perform a study on the JUNO capability to detect periodical time variations in the solar neutrino flux, such as the day-night modulation induced by neutrino flavor regeneration in Earth, and the modulations induced by temperature changes driven by helioseismic waves.

研究动机与目标

• 评估 JUNO 在多种放射纯度情景下对 7Be、pep 和 CNO 太阳中微子的灵敏度。
• 确定太阳中微子通量中可探测的最小周期性调制幅度，特别是来自 g 模振荡的调制。
• 评估 JUNO 相较于 Borexino 等现有实验在测量中微子通量不确定度方面的改进。
• 探索在不约束 210Bi 背景的情况下，解析 CNO 中微子各组分（13N 和 16O）的潜力。
• 确立 JUNO 在前所未有的灵敏度水平下探测昼夜不对称性及 g 模振荡引起的调制的能力。

提出的方法

• 使用四种放射纯度情景（IBD、基线、理想和 BX 类似）模拟 JUNO 液体闪烁体探测器中的中微子探测。
• 应用 Lomb-Scargle 周期图法，检测在不同调制周期（数小时至数百天）下中微子信号中的周期性调制。
• 通过统计显著性（3σ）量化灵敏度，以确定可探测的最小调制幅度（AgMode）。
• 通过统计误差传播估计通量不确定度，假设系统误差受控，基于 Borexino 的经验。
• 评估背景水平和放射纯度对 7Be、pep 和 CNO 中微子计数率测量精度的影响。
• 通过比较不同曝光时间（最多 10 年）和放射纯度水平下的结果，确定鲁棒性与灵敏度阈值。

实验结果

研究问题

• RQ1 在 10 年数据采集后，不同放射纯度情景下，太阳中微子通量中可探测的最小周期性调制幅度（AgMode）是多少？
• RQ2 在现实放射纯度条件下，JUNO 对 7Be、pep 和 CNO 中微子通量的灵敏度相较于 Borexino 当前精度如何？
• RQ3 在不施加对 210Bi 背景的约束条件下，JUNO 是否能够分辨 CNO 通量中 13N 和 16O 的独立贡献？
• RQ4 灵敏度在多大程度上依赖于调制周期 T，特别是针对 g 模振荡？
• RQ5 JUNO 在昼夜不对称性及 g 模振荡引起的调制方面，相较于现有极限可实现多大程度的改进？

主要发现

• 在 10 年数据采集后，JUNO 在 BX 类似放射纯度情景下，可探测到幅度低至 0.3% 的 g 模振荡引起的调制。
• 在理想情景下，JUNO 可实现最小可探测调制幅度为 0.4%；在基线情景下为 0.8%。
• 在所有放射纯度情景下，JUNO 在采集六年后可将 7Be 中微子速率的不确定性降低至百分之一水平。
• 对于 pep 中微子，六年后不确定性将从 3% 改善至 17%，具体取决于放射纯度情景。
• 对于 CNO 中微子，六年后不确定性将降至 12%–19%，且在大多数情景下无需对 210Bi 速率施加约束。
• 在除最差放射纯度情景外的所有情况下，JUNO 均可分辨 CNO 通量中 13N 和 16O 的独立组分。