[论文解读] A Call to Arms Control: Synergies between Nonproliferation Applications of Neutrino Detectors and Large-Scale Fundamental Neutrino Physics Experiments

T. Akindele, T. Anderson+163 more|arXiv (Cornell University)|Feb 28, 2022

Neutrino Physics Research被引用 7

一句话总结

本文提出了一种大规模中微子探测器在基础物理与核不扩散应用之间的战略协同，特别聚焦于通过反中微子探测远程监测核反应堆。通过利用重叠的探测器技术、材料和基础设施（如基于水和闪烁体的探测器搭配快速光电倍增管），实现了基础中微子物理与全球核安全的双重研究，共享研发与资金支持机会。

ABSTRACT

The High Energy Physics community can benefit from a natural synergy in research activities into next-generation large-scale water and scintillator neutrino detectors, now being studied for remote reactor monitoring, discovery and exclusion applications in cooperative nonproliferation contexts. Since approximately 2010, US nonproliferation researchers, supported by the National Nuclear Security Administration (NNSA), have been studying a range of possible applications of relatively large (100 ton) to very large (hundreds of kiloton) water and scintillator neutrino detectors. In parallel, the fundamental physics community has been developing detectors at similar scales and with similar design features for a range of high-priority physics topics, primarily in fundamental neutrino physics. These topics include neutrino oscillation studies at beams and reactors, solar, and geological neutrino measurements, supernova studies, and others. Examples of ongoing synergistic work at U.S. national laboratories and universities include prototype gadolinium-doped water and water-based and opaque scintillator test-beds and demonstrators, extensive testing and industry partnerships related to large area fast position-sensitive photomultiplier tubes, and the development of concepts for a possible underground kiloton-scale water-based detector for reactor monitoring and technology demonstrations. Some opportunities for engagement between the two communities include bi-annual Applied Antineutrino Physics conferences, collaboration with U.S. National Laboratories engaging in this research, and occasional NNSA funding opportunities supporting a blend of nonproliferation and basic science R&D, directed at the U.S. academic community.

研究动机与目标

• 识别并促进用于基础物理的大规模中微子探测器与用于核不扩散应用的探测器之间的协同效应。
• 通过共享研发与基础设施，应对部署大规模中微子探测器所带来的高昂成本与技术复杂性挑战。
• 通过联合研发举措，加强基础中微子物理研究社区与不扩散研究人员之间的合作。
• 倡导持续的资金与机构支持，以弥合基础科学与应用型不扩散目标之间的鸿沟。
• 推动利用现有及规划中的探测器技术（如掺钆水和闪烁体系统）实现科学发现与国际保障的双重目标。

提出的方法

• 利用现有及规划中的大规模中微子探测器（如千吨级水基探测器和闪烁体探测器）实现基础物理与反应堆监测的双重用途。
• 基于反应堆反中微子已知的通量与能谱，将反中微子探测用作不扩散工具。
• 将为基础物理研发的先进光电探测器系统（如大面积、快速位置敏感光电倍增管）整合至不扩散应用中。
• 建立试验平台与示范装置（如掺钆水探测器与不透明闪烁体原型），用于基础物理与不扩散研发。
• 通过每两年一次的“应用反中微子物理会议”以及与美国国家实验室的联合项目，促进合作。
• 参与美国国家实验室工作，并利用NNSA资助机会，支持不扩散与基础物理的混合研发。

实验结果

研究问题

• RQ1 如何将专为基础物理设计的大规模中微子探测器重新用于核不扩散监测？
• RQ2 反应堆反中微子探测与高能物理实验之间存在哪些技术和制度层面的协同效应？
• RQ3 不扩散与基础中微子物理在共享技术需求（如光电探测器与屏蔽）方面有哪些共通点？
• RQ4 联合研发如何降低费用并加速不扩散与基础物理探测器系统的部署？
• RQ5 哪些政策与资金机制可确保不扩散与基础物理研究社区之间长期合作？

主要发现

• 在用于基础物理的大规模中微子探测器与核不扩散应用之间存在天然协同效应，尤其适用于核反应堆的远程监测。
• 为中微子振荡与超新星研究而开发的千吨级水基与闪烁体探测器，对反应堆反中微子也具有高灵敏度探测能力。
• 如掺钆水与快速光电倍增管等技术已在基础物理与不扩散试验平台中同步测试，支持共同研发。
• 通过“应用反中微子物理会议”等活动以及与美国国家实验室的联合项目，两个研究群体之间的合作已初见成效。
• NNSA资助机会可用于支持混合研发，使学术机构能够同时参与不扩散与基础科学研究。
• 将不扩散目标整合进大型物理项目，可增强项目使命的相关性，并为大规模探测器计划争取长期资金支持。