[論文レビュー] Sensitivity of the DANSS detector to short range neutrino oscillations

M. Danilov|arXiv (Cornell University)|Nov 12, 2013

Neutrino Physics Research参考文献 2被引用数 14

ひとこと要約

本論文は、3 GWthの原子炉に近いカリニン原子力発電所に設置されたDANSS検出器が、Gdドープされたシンチレーター・ストリップを用いた逆ベータ崩壊検出法により、真性ニュートリノを含む短距離ニュートリノ振動に起因する感度を評価している。1日あたり約10,000件の反ニュートリノイベントと1%未満のバックグラウンドを想定することで、反ニュートリノ異常の領域を95%信頼水準でカバーし、Δm² ≈ 2 eV²およびsin²(2θ₁₄) ≈ 0.2の振動パラメータに対して感度を示す。

ABSTRACT

DANSS is a highly segmented 1m^3 plastic scintillator detector. It's 2500 scintillator strips have a Gd loaded reflective cover. Light is collected with 3 wave length shifting fibers per strip and read out with 50 PMTs and 2500 SiPMs. The DANSS will be installed under the industrial 3 GW reactor of the Kalinin Nuclear Power Plant at distances varying from 9.7m to 12.2m from the reactor core. Tests of the detector prototype DANSSino demonstrated that in spite of a small size (20x20x100 cm^3) it is quite sensitive to reactor antineutrinos, detecting about 70 Inverse Beta Decay events per day with the signal-to-background ratio of about unity. The prototype tests have demonstrated feasibility to reach the design performance of the DANSS detector. The DANSS experiment will detect about 10 thousand antineutrino events per day with a background below ~1%. Detector will be calibrated every day and its position will be changed frequently to reduce systematic errors. These features will provide a high sensitivity to reactor antineutrino oscillations to sterile neutrinos, suggested recently to explain a so-called "reactor anomaly". Data taking will start already next year.

研究の動機と目的

• DANSS検出器が短距離ニュートリノ振動による真性ニュートリノへの振動を介して、反ニュートリノ異常を解明する可能性を調査すること。
• 商業的原子炉周辺に設置可能なコンact型・移動式で高精度なシンチレーター検出器を用いた真性ニュートリノ振動の検出可能性を評価すること。
• 頻繁な検出器の再配置と毎日のキャリブレーションにより、振動測定におけるシステム的誤差を最小限に抑えることができるかを示すこと。
• DANSSinoプロトタイプを用いて、カリフォルニアNPPでの検出器の性能とバックグラウンドレベルを検証すること。
• 複数のベースライン距離における形状のみのスペクトル解析に基づき、真性ニュートリノ振動の定量的感度推定値を提示すること。

提案手法

• DANSS検出器は、Gdドープされた高セグメンテーションなプラスチックシンチレーター・ストリップを2500本使用し、原子炉の反ニュートリノからの逆ベータ崩壊（IBD）イベントを検出する。
• 各ストリップからの光は3本の波長シフトファイバーを介して収集され、50本のPMトランジスタと2500本のSiPMによって読み取られ、IBDイベントのエネルギーおよび空間再構築が高精度で可能になる。
• 直交するPMトランジスタモジュールと各ストリップごとの個別SiPMを組み合わせた二重読み出しシステムにより、エネルギー分解能とバックグラウンド拒否性能が向上する。
• 検出器は反応炉コアからの距離を9.7〜12.2 mの範囲で変化させ、ベースラインに応じた振動効果を測定する。
• モンテカルロシミュレーションを用いて、陽電子エネルギースペクトルと即時（陽電子）および遅延（中性子捕獲）信号間の時間相関を評価し、感度を評価する。
• 毎日のキャリブレーションと検出器の頻繁な再配置により、空間的および環境的要因に起因するシステム的不確実性を最小限に抑える。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 DANSS検出器は、反ニュートリノ異常によって示唆されるように、真性ニュートリノを含む短距離ニュートリノ振動を十分に検出できる感度を達成できるか？
• RQ2 反ニュートリノ異常の文脈において、DANSS検出器のΔm²およびsin²(2θ₁₄)のパラメータに対する期待される感度はどの程度か？
• RQ3 DANSS設計は、宇宙線ミューオンや(γ,n)一致事象を含むバックグラウンドをどれほど効果的に抑制できるか？
• RQ4 検出器のベースライン距離を変更できる能力が、振動パラメータの感度向上にどの程度寄与するか？
• RQ5 モンテカルロシミュレーションは、プロトタイプ（DANSSino）のデータに基づいて、検出器の性能を予測するのにどの程度信頼できるか？

主な発見

• DANSSinoプロトタイプは、1日あたり約70件の逆ベータ崩壊イベントを検出しており、信号対バックグラウンド比がおおよそ1に近く、設計の実現可能性を確認した。
• 検出器は、反応炉コアから11 mの距離で、1日あたり約10,000件の反ニュートリノイベントを記録すると予想され、バックグラウンドレベルは1%未満である。
• DANSSinoが測定した陽電子信号のエネルギースペクトルは、モンテカルロシミュレーションと良好に一致しており、検出器応答モデルの妥当性が裏付けられた。
• 9.7 mと11 mのベースラインにおける陽電子エネルギースペクトル比は、Δm² = 2 eV²およびsin²(2θ₁₄) = 0.2の条件下で明著な振動パターンを示しており、観測可能な振動が確認された。
• 1年間の運用における95%信頼水準の感度領域は、反ニュートリノ異常によって支持されるパラメータ空間の領域をカバーしており、sin²(2θ₁₄) ≈ 0.2およびΔm² ≈ 2 eV²に対して95%信頼水準の感度を有する。
• 頻繁な検出器の再配置と毎日のキャリブレーションにより、システム的誤差は最小限に抑えられ、振動測定の信頼性が向上することが期待される。