[论文解读] The Double Chooz antineutrino detectors

Double Chooz Collaboration, H. de Kerret+249 more|arXiv (Cornell University)|Jan 31, 2022

Neutrino Physics Research被引用 1

一句话总结

Double Chooz 实验部署了两个高度稳定、完全相同的反中微子探测器——一个位于近处（400 米），一个位于远处（1.05 公里），距离两个反应堆堆芯——通过反应堆反中微子消失来测量中微子混合角 θ₁₃。利用掺钆液体闪烁体和光电倍增管，探测器在长达 7 年的时间内实现了光输出、能量分辨率和电荷响应的卓越长期稳定性，闪烁体衰减长度和光学特性均无明显退化，从而实现了精确的振荡测量。

ABSTRACT

This article describes the setup and performance of the near and far detectors in the Double Chooz experiment. The electron antineutrinos of the Chooz nuclear power plant were measured in two identically designed detectors with different average baselines of about 400 m and 1050 m from the two reactor cores. Over many years of data taking the neutrino signals were extracted from interactions in the detectors with the goal of measuring a fundamental parameter in the context of neutrino oscillation, the mixing angle { heta}13. The central part of the Double Chooz detectors was a main detector comprising four cylindrical volumes filled with organic liquids. From the inside towards the outside there were volumes containing gadolinium-loaded scintillator, gadolinium-free scintillator, a buffer oil and, optically separated, another liquid scintillator acting as veto system. Above this main detector an additional outer veto system using plastic scintillator strips was installed. The technologies developed in Double Chooz were inspiration for several other antineutrino detectors in the field. The detector design allowed implementation of efficient background rejection techniques including use of pulse shape information provided by the data acquisition system. The Double Chooz detectors featured remarkable stability, in particular for the detected photons, as well as high radiopurity of the detector components.

研究动机与目标

• 通过两个核反应堆产生的反应堆反中微子测量中微子混合角 θ₁₃。
• 确保近端和远端探测器在长期运行中保持稳定性和低本底，以最小化系统误差。
• 通过精确设计和校准实现两个探测器性能完全一致，从而抵消相关系统误差。
• 证明使用掺钆液体闪烁体实现长期、高稳定性反中微子探测的可行性。
• 通过独立的数据集进行校准和稳定性监控，验证探测器在多年运行中的性能表现。

提出的方法

• 部署了两个完全相同的地下反中微子探测器：一个位于近处（400 米），一个位于远处（1.05 公里），距离反应堆堆芯。
• 在两个探测器中均使用掺钆液体闪烁体，通过逆β衰变（IBD）事件中的延迟符合信号标记中子俘获。
• 采用光电倍增管（PMTs），并应用增益漂移校正算法，以补偿 PMT 增益、有效通道数和重建电荷的波动。
• 利用独立数据集（来自 IBD 和μ子散裂的 Gd 和 H 中子俘获）进行校准，并验证均匀性和稳定性修正的准确性。
• 基于衰减长度 >430 nm 的假设，进行光学模拟，以模拟探测器体积内光收集和响应非均匀性。
• 在约 8 MeV（Gd 峰）能量点持续监测 7 年的能量分辨率，以评估长期性能稳定性。

实验结果

研究问题

• RQ1 在多年运行中，掺钆液体闪烁体在反中微子探测器中的光输出和能量分辨率稳定性如何？
• RQ2 PMT 增益、有效通道数和电荷响应等探测器参数在长时间内保持稳定的程度如何？
• RQ3 是否可以在不测量到闪烁体衰减长度或光学透明度退化的情况下维持长期性能？
• RQ4 蒙特卡洛模拟在多大程度上能够准确模拟探测器体积内观测到的非均匀性和能量分辨率？
• RQ5 运行升级和噪声抑制策略对探测器性能和能量分辨率有何影响？

主要发现

• 在 7 年的数据采集期间，~8 MeV 能量点的能量分辨率保持稳定，性能无明显退化。
• 在近端探测器的靶区闪烁体中，观测到探测光电子数（PE）在 3 年内呈 2% 的渐进式增长，可能由于灰尘或微小气泡的沉降所致。
• 光输出和衰减长度均未表现出退化迹象，光学模拟与数据吻合良好，前提是衰减长度 >430 nm。
• 能量分辨率保持平坦且稳定，2013 年电子学升级和降噪策略实施后略有改善。
• 响应和能量分辨率的非均匀性被蒙特卡洛模拟良好地建模，证实了校准框架的准确性。
• 探测器在 PMT 电荷响应和光电子探测方面表现出极佳的长期稳定性，这对精确振荡测量至关重要。