[论文解读] Double Calorimetry System in JUNO

Miao He|arXiv (Cornell University)|Jun 27, 2017

Neutrino Physics Research参考文献 2被引用 3

一句话总结

JUNO 提出了一种双 calorimetry 系统，使用 25,000 个 3 英寸光电倍增管（PMT）与 18,000 个 20 英寸 PMT，以实现亚百分之一的能分辨率。小型 PMT 以单光电子计数模式运行，可精确校准大型 PMT 系统的非线性响应，从而控制系统不确定性，并提升中微子质量层次测量与高能物理的能分辨率。

ABSTRACT

The Jiangmen Underground Neutrino Observatory (JUNO) is a multipurpose neutrino-oscillation experiment, with a 20 kiloton liquid scintillator detector of unprecedented 3\% energy resolution (at 1 MeV) at 700-meter deep underground. There are ~18,000 20-inch photomultiplier tubes (PMTs) in the central detector with an optical coverage greater than 75%. Control of the systematics of the energy response is crucial to archive the designed energy resolution as well as to reach 1% precision of the absolute energy scale. The detected number of photoelectrons in each PMT differs by two orders of magnitude in the reactor antineutrino energy range in such a large detector, which is a challenge to the single channel charge measurement. JUNO has approved a new small-PMT system, including 25,000 3-inch PMTs, installed alternately with 20-inch PMTs. The individual 3-inch PMT receives mostly single photoelectrons, which provides a unique way to calibrate the energy response of the 20-inch PMT system by a photon-counting technology. Besides, the small-PMT system naturally extends the dynamic range of the energy measurement to help the high-energy physics, such as cosmic muons and atmospheric neutrinos. We will present the physics concept of this double calorimetry, the design and implementation of the 3-inch PMT and its readout electronics system.

研究动机与目标

• 在 JUNO 液体闪烁体探测器中，通过控制能量响应中的系统不确定性，实现 1 MeV 能量下 3% 的能分辨率。
• 解决大尺寸 20 英寸 PMT 在反应堆反中微子能量范围内电荷响应非线性的挑战，其变化范围达两个数量级。
• 扩展高能物理应用（如宇宙射线μ子与大气中微子）的能量测量动态范围。
• 实施双 PMT 系统，结合随机响应（20 英寸 PMT）与非随机响应（3 英寸 PMT）控制，以提升能分辨率。
• 利用 3 英寸 PMT 的单光电子计数，实现对 20 英寸 PMT 能量刻度的亚百分之一精度校准。

提出的方法

• 在 20 英寸 PMT 之间的空隙中安装 25,000 个 3 英寸 PMT（XP72B22），构成双层 PMT 系统。
• 将 3 英寸 PMT 以单光电子计数模式运行，在反应堆反中微子能量范围内，>98% 的事件仅检测到单个光电子。
• 采用多通道前端 ASIC（CATIROC）实现对 3 英寸 PMT 电荷与时间信息的高带宽、无死时间读出。
• 将 3 英寸 PMT 测得的总电荷作为参考，用于校准 20 英寸 PMT 系统的非线性电荷响应。
• 利用 3 英寸 PMT 系统校正因探测器内事例位置变化导致的能量响应非均匀性。
• 将 3 英寸 PMT 系统与定制水下机箱及电源/数据传输系统集成，以确保长期稳定性与低本底。

实验结果

研究问题

• RQ1 如何在大型液体闪烁体探测器中，以亚百分之一精度校准大尺寸 20 英寸 PMT 的非线性电荷响应？
• RQ2 一个工作在单光电子计数模式的次级小型 PMT 系统，能否为校准主大型 PMT 系统的能量响应提供可靠参考？
• RQ3 双 calorimetry 系统在多大程度上降低了中微子振荡测量中能分辨率的系统不确定性？
• RQ4 3 英寸 PMT 的引入在多大程度上扩展了高能物理中能量测量的动态范围，超越反应堆反中微子？
• RQ5 在 JUNO 对时间分辨率与放射性水平的严格要求下，HZC XP72B22 3 英寸 PMT 的性能特征如何？

主要发现

• 3 英寸 PMT（XP72B22）实现了 35% ± 2% 的单光电子分辨率，表明样品间具有优异的一致性。
• 单光电子的时间抖动小于 5 ns FWHM，满足 JUNO 对高精度能重建的时间要求。
• 前脉冲与后脉冲电荷比分别低于 5% 和 15%，显著减少了虚假信号贡献。
• 在 1–100 光电子范围内，3 英寸 PMT 的非线性度低于 10%，确保了准确的光子计数。
• 3 英寸 PMT 暗计数率低（0.25 PE 下为 1,000 Hz），且放射性极低，238U、232Th 和 40K 的活度分别低于 400 ppb、400 ppb 和 200 ppb。
• 双 calorimetry 系统预计可实现 1 MeV 能量下 3% 的能分辨率，系统不确定性低于 1%，这对确定中微子质量层次至关重要。