[论文解读] Sterile neutrino search at the ILL nuclear reactor: the STEREO experiment

V. Hélaine|arXiv (Cornell University)|Apr 29, 2016

Neutrino Physics Research被引用 15

一句话总结

STEREO实验通过测量距离ILL反应堆10米基线处反应堆电子反中微子的能量谱畸变，搜寻惰性中微子。该实验采用6个单元的分段式、掺钆液体闪烁体探测器，并结合主动/被动屏蔽，实现1.5的信背比，使在2年内达到95%置信水平对反应堆反中微子异常的探测灵敏度成为可能。

ABSTRACT

Search for a light sterile neutrino is currently a hot topic of neutrino physics, arising from the so-called gallium and reactor anomalies, in which a deficit of neutrinos was observed with respect to expectations. Such anomalies could be explained by short distance oscillations towards a sterile state, with $Δ\mathrm{m}^2\sim$1\,eV$^2$. The STEREO detector has been designed to track the electron anti-neutrino energy spectrum distortion from 3 to 8\,MeV due to such a new $L/E$ oscillation, and should therefore confirm or reject the light sterile neutrino hypothesis. Electron anti-neutrinos produced by the compact reactor core of the Institut Laue-Langevin (ILL) will be detected in a 6-cells segmented volume of Gd-loaded liquid scintillator through the inverse $β$-decay process. The STEREO detector is being set-up and will be commissioned in fall 2016, and start data taking soon after. In this paper we will present the final design of the detector and its status, as well as its expected sensitivity.

研究动机与目标

• 解决反应堆反中微子异常问题，即实测通量相比三中微子理论预测低7%。
• 检验短基线振荡进入Δm² ~ 2.3 eV²的惰性中微子态是否可解释该异常。
• 在不依赖通量归一化的情况下，实现对反中微子能量谱的高精度测量。
• 在2年内以95%置信水平探测反应堆异常所允许的参数空间。
• 通过分段探测器设计与全面的本底抑制，最小化系统误差。

提出的方法

• 利用逆β衰变（IBD）探测电子反中微子：$\overline{\nu}_e + p \rightarrow e^+ + n$。
• 将2 m³的探测器分为6个相同的单元（每单元厚40 cm），以在2 m基线上测量相对谱畸变。
• 采用掺钆液体闪烁体，通过8 MeV伽马级联标记中子俘获，实现延迟符合探测。
• 设置40 cm厚的外层未掺杂闪烁体，以提高能量分辨率和中子探测效率。
• 应用主动与被动屏蔽（B₄C、铅、硼掺杂聚乙烯及μ子拒止），抑制宇宙射线和反应堆诱发的本底。
• 采用水切伦科夫μ子拒止系统与脉冲波形分辨技术，以99.5%的效率排除相关联的μ子诱发本底。

实验结果

研究问题

• RQ1 反应堆反中微子异常是否可由Δm² ~ 2.3 eV²的短基线振荡进入惰性中微子态来解释？
• RQ2 所测得的电子反中微子能量谱是否显示出与活性到惰性振荡一致的能量依赖性畸变？
• RQ3 STEREO探测器能否实现足够的能量分辨率与本底抑制，以排除或证实惰性中微子假说？
• RQ4 分段探测器设计在10 m基线上对谱畸变的探测灵敏度如何？
• RQ5 探测器在长期运行中（能量标度不确定度2%）能否保持良好的稳定性与校准性能？

主要发现

• STEREO探测器设计可实现2 MeV正电子12%的能量分辨率，确保精确的谱测量。
• 中子探测效率预计可达60%，能量阈值为5 MeV，对IBD事例识别至关重要。
• 探测器稳定性预计可在校准之间保持在1%水平，确保长期一致性。
• 通过自动放射性源循环系统，能量标度校准可实现2%的不确定度。
• 主动与被动屏蔽相结合，使本底降低至信背比1.5，达到所需阈值。
• 在300天内每天探测到400个反中微子，STEREO将在2年内以95%置信水平探测反应堆异常的参数空间。