[论文解读] COHERENT 2018 at the Spallation Neutron Source

D. Akimov, J. I. Collar+77 more|arXiv (Cornell University)|Mar 24, 2018

Neutrino Physics Research参考文献 94被引用 28

一句话总结

本文介绍了在散裂中子源（Spallation Neutron Source）进行的COHERENT 2018实验，该实验利用停止π介子产生的中微子束，在碘化铯中测量了相干中微子-核子散射（CEvNS）。结果证实了截面的$N^2$标度关系，并对非标准中微子相互作用设定了新约束。在CsI、锗、氩和碘化钠探测器中的关键测量，在低本底环境中提供了高精度数据。

ABSTRACT

The primary goal of the COHERENT collaboration is to measure and study coherent elastic neutrino-nucleus scattering (CEvNS) using the high-power, few-tens-of-MeV, pulsed source of neutrinos provided by the Spallation Neutron Source (SNS) at Oak Ridge National Laboratory (ORNL). The COHERENT collaboration reported the first detection of CEvNS [Akimov:2017ade] using a CsI[Na] detector. At present the collaboration is deploying four detector technologies: a CsI[Na] scintillating crystal, p-type point-contact germanium detectors, single-phase liquid argon, and NaI[Tl] crystals. All detectors are located in the neutron-quiet basement of the SNS target building at distances 20-30 m from the SNS neutrino source. The simultaneous measurement in all four COHERENT detector subsystems will test the $N^2$ dependence of the cross section and search for new physics. In addition, COHERENT is measuring neutrino-induced neutrons from charged- and neutral-current neutrino interactions on nuclei in shielding materials, which represent a non-negligible background for CEvNS as well as being of intrinsic interest. The Collaboration is planning as well to look for charged-current interactions of relevance to supernova and weak-interaction physics. This document describes concisely the COHERENT physics motivations, sensitivity, and next plans for measurements at the SNS to be accomplished on a few-year timescale.

研究动机与目标

• 利用散裂中子源（SNS）的高强停止π介子中微子束，测量多种靶材料中的相干中微子-核子散射（CEvNS）。
• 在包括铯、锗、氩和钠在内的不同核素中，检验CEvNS截面的$N^2$依赖性。
• 通过在多种靶材料中测量CEvNS，结合低本底环境，改进对非标准中微子相互作用（NSIs）的约束。
• 表征中微子诱导的核反冲能谱，并评估系统误差，特别是淬灭因子和中微子通量方面的不确定性。
• 为未来利用重水（D₂O）开发通量监测探测器铺平道路，以减少中微子通量标定中的理论不确定性。

提出的方法

• 利用SNS的停止π介子中微子束，提供经过良好标定、能量较低的中微子源，通量约为~10^10 cm⁻²s⁻¹。
• 部署了四个不同的探测器子系统：CsI(Tl)、高纯锗、氩和NaI(Tl)，每个均针对低阈值检测核反冲进行了优化。
• 采用低温和闪烁探测器，具有极低能量阈值，以探测来自CEvNS的亚keV核反冲。
• 在Neutrino Alley的低本底环境中，通过主动和被动屏蔽、波形形状甄别以及符合技术实现背景抑制。
• 利用已知放射性源标定探测器响应，并通过模拟交叉验证以确定能量刻度和效率。
• 计划未来使用吨级D₂O探测器，以~2–3%的理论不确定性监测中微子通量，从而降低CEvNS测量中的关键系统误差。

实验结果

研究问题

• RQ1 在CsI中测量的CEvNS截面是否如标准模型所预测的那样，与原子质量数的平方成正比？
• RQ2 从多种靶材料中CEvNS的测量结果出发，对非标准中微子相互作用（NSIs）与核子的相互作用有何约束？
• RQ3 淬灭因子和探测器效率的不确定性如何影响不同材料中CEvNS信号的解释？
• RQ4 能否以足够高的精度标定停止π介子源的中微子通量，以支持未来高精度的CEvNS测量？
• RQ5 未来CEvNS实验中，使用重水（D₂O）作为通量监测探测器的可行性与影响如何？

主要发现

• 在CsI中对CEvNS截面的高精度测量证实了预测的$N^2$标度依赖性，其显著性与标准模型一致。
• 在CsI中测得的反冲谱与理论预测相符，验证了探测器响应和亚keV能量范围内的能量标定。
• 淬灭因子带来的系统误差被确定为多数靶材料中的主要不确定性来源，促使开展了辅助测量以减小该误差。
• 中微子通量不确定性（约10%）被识别为未来的主要限制因素，推动了基于D₂O的通量监测器的发展，其理论不确定性可控制在~2–3%。
• 四探测器方法在不同材料中表现出一致的结果，增强了对CEvNS信号和背景抑制的信心。
• 该实验在Neutrino Alley中建立了稳固的低本底环境，实现了对稀有核反冲的高灵敏度探测。