[논문 리뷰] Status Report for the 21th J-PARC PAC : Searching for a Sterile Neutrino at J-PARC MLF (J-PARC E56, JSNS2)

M. Harada, S. Hasegawa외 30명|arXiv (Cornell University)|2016. 01. 06.

Radiation Detection and Scintillator Technologies인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 J-PARC의 JSNS2 실험의 현황을 보고하며, Hg 스파라클레이션 타겟에서 24미터 떨어진 곳에 위치한 50톤의 액체 스크린저 검출기로 스테일리너 뉴트리노를 탐색하는 것을 목표로 한다. 연구는 지연 코incidence 기법을 통해 빠른 중성자 배제와 전자 뉴트리노 산란 탐지의 고효율을 입증하였으며, 5년간의 운영 후 배경 제거 요소는 4.95 × 10⁻⁴, 통계 정밀도는 2.7%에 도달하였다.

ABSTRACT

The JSNS2 (J-PARC E56) experiment aims to search for sterile neutrinos at the J-PARC Materials and Life Sciences Experimental Facility (MLF).After the submission of a proposal to the J-PARC PAC, stage-1 approval was granted to the JSNS2 experiment. The approval followed a series of background measurements which were performed in 2014. Subsequent for stage-1 approval, the JSNS2 collaboration has made continuous efforts to write a Technical Design Report (TDR).This TDR will include two major items as discussed in the previous status report for the 20th J-PARC PAC: (1) A realistic detector location (2) Well understood and realistic detector performance using simulation studies, primarily in consideration of fast neutron rejection. Since August we have been in discussions with MLF staff regarding an appropriate detector location. We are also in the process of setting up a Monte Carlo (MC) simulation framework in order to study detector's performance in realistic conditions. In addition, we have pursued hardware R&D work for the liquid scintillator (LS) and to improve the dynamic range of the 10" photomultiplier tubes (PMTs). The LS R&D works includes Cherenkov studies inside the LS, and a Pulse Shape Discrimination (PSD) study with a test-beam, performed at Tohoku University. We also estimate the PSD performance of a full-sized detector using a detailed MC simulation. In this status report, we describe progress on this work.

연구 동기 및 목표

• J-PARC의 MLF에서 π 및 K 뉴트리노의 붕괴-정지에서 발생하는 전자 뉴트리노를 이용해 eV 질량 범위의 스테일리너 뉴트리노를 탐색하기 위해.
• 유지보수 영역로 간주되는 비전통적 위치인 MLF의 대규모 장비 취급실 내에서 안전하고 실현 가능한 검출기 위치를 확립하기 위해.
• 액체 스크린저(LAB + 0.03g/L b-PBD), PMT 동적 범위, 펄스 형태 분리(PSD)에 대한 연구 및 개발을 통해 검출기 성능을 최적화하기 위해.
• 배경을 최소화하고 신호 효율을 극대화하여 12C(νe,e−)12N 반응에 대한 높은 감도를 확보하기 위해.
• 고통계 데이터를 활용해 뉴트리노 유도 핵반응 단면적을 향후 측정하기 위한 기초를 마련하기 위해.

제안 방법

• 우주선 양성자 트리거를 사용하여 LAB + 0.03g/L b-PBD 스크린저에서 츄레노프 빛과 스크린저 빛 방출 시간을 비교하기 위해 츄레노프 빛 타이밍 측정을 수행하였다.
• 도호쿠 대학에서의 테스트 비드 데이터와 전면적 몬테카를로 시뮬레이션을 활용하여 펄스 형태 분리(PSD) 연구를 수행하여 중성자 제거 능력을 평가하였다.
• 다단계 배경 감소 전략을 구현: 음전하-보상 컷, 밀리켈 전자 컷, 시간 및 에너지 윈도우 컷, ΔVTX 컷, 수명 컷.
• 주요 신호 및 배경 과정에 대한 탐지 효율과 배경 제거 요소를 추정하기 위해 몬테카를로 시뮬레이션을 사용하였다.
• 즉각적 및 지연 신호의 시간 분포를 기반으로 수명 컷을 적용하여 임의의 코인시던스를 제거하였다.
• 이동 가능한 β/γ 원천을 사용하여 검출기 반응을 校정하고, d(νe,e−p)p 및 d(νe,ν′e n)p 반응의 직접 탐측을 통해 유속 측정을 검증하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 J-PARC MLF 타겟에서 24m 떨어진 50톤 액체 스크린저 검출기는 12C(νe,e−)12N 반응을 통해 스테일리너 뉴트리노를 탐지할 수 있을 정도의 충분한 감도를 확보할 수 있는가?
• RQ2 LAB + 0.03g/L b-PBD 스크린저는 배경 감소를 위해 츄레노프 빛과 스크린저 빛을 얼마나 잘 구분할 수 있는가?
• RQ3 펄스 형태 분리 및 시간 윈도우 컷을 통해 빠른 중성자 및 우주선 기인 배경을 어느 정도 감소시킬 수 있는가?
• RQ4 뉴트리노 유속 및 검출기 반응 추정치의 정확도는 어느 정도이며, 단면적 측정에 영향을 주는 체계적 불확실성은 무엇인가?
• RQ5 지연 코인시던스 기법을 활용해 12C(νe,e−)12N∗ 단면적을 더 정밀하게 측정할 수 있는가?

주요 결과

• 모든 컷, 특히 수명 컷을 적용한 후 총 신호 효율은 14.8%이며, 배경 제거 요소는 4.95 × 10⁻⁴에 도달하였다.
• 수명 컷만으로도 제거 요소가 0.45이며, 12C(νe,e−)12N 기저 상태 신호 이벤트의 91%를 유지하였다.
• 에너지 및 시간 윈도우 컷은 각각 99.89% 및 99.99%의 배경 감소를 기록하였으며, ΔVTX 컷은 배경 감소에 크게 기여하였다.
• LAB + 0.03g/L b-PBD에서의 츄레노프 빛 타이밍 해상도는 백색 기름 + 0.03g/L b-PBD와 유사하여, JSNS2 실험에 적합함을 확인하였다.
• 1MW에서 5000시간 운영 시 연간 12C(νe,e−)12N 기저 상태 이벤트의 예상 수는 448개이며, 모든 컷을 적용한 후 남는 배경 이벤트는 138개 뿐이다.
• 5년간의 데이터로 12C(νe,e−)12N 단면적 측정의 통계적 불확실도는 2.7%로 예상되며, 고정밀 물리 측정이 가능하다.