[论文解读] Exploring CEvNS with NUCLEUS at the Chooz Nuclear Power Plant

G. Angloher, F. Ardellier-Desages+35 more|arXiv (Cornell University)|May 24, 2019

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 7被引用 5

一句话总结

本论文介绍了在竹洲核电机组开展的下一代CE$ν$NS（相干弹性中微子-核子散射）实验NUCLEUS，采用具有前所未有20 eV能量阈值的低温探测器。在距离反应堆极近的VNS（Very-Near-Site）位置，使用10 g靶材料，NUCLEUS在一年内即可实现对CE$ν$NS的4σ灵敏度，从而首次探测到低于1.8 MeV的低能中微子谱，并在第二阶段实现1%精度的截面测量。

ABSTRACT

Coherent elastic neutrino-nucleus scattering (CE$ν$NS) offers a unique way to study neutrino properties and to search for new physics beyond the Standard Model. Nuclear reactors are promising sources to explore this process at low energies since they deliver large fluxes of (anti-)neutrinos with typical energies of a few MeV. In this paper, a new-generation experiment to study CE$ν$NS is described. The NUCLEUS experiment will use cryogenic detectors which feature an unprecedentedly low energy threshold and a time response fast enough to be operated in above-ground conditions. Both sensitivity to low-energy nuclear recoils and a high event rate tolerance are stringent requirements to measure CE$ν$NS of reactor antineutrinos. A new experimental site, denoted the Very-Near-Site (VNS) at the Chooz nuclear power plant in France is described. The VNS is located between the two 4.25 GW$_{\mathrm{th}}$ reactor cores and matches the requirements of NUCLEUS. First results of on-site measurements of neutron and muon backgrounds, the expected dominant background contributions, are given. In this paper a preliminary experimental setup with dedicated active and passive background reduction techniques is presented. Furthermore, the feasibility to operate the NUCLEUS detectors in coincidence with an active muon-veto at shallow overburden is studied. The paper concludes with a sensitivity study pointing out the promising physics potential of NUCLEUS at the Chooz nuclear power plant.

研究动机与目标

• 利用超低阈值低温探测器，在核反应堆现场观测相干弹性中微子-核子散射（CE$ν$NS）。
• 在低于1.8 MeV的能区测量反应堆反中微子谱，低于逆β衰变的阈值。
• 以1%的精度水平实现截面测量，以探测标准模型之外的新物理。
• 证明在浅层覆盖（浅埋）条件下，通过主动与被动屏蔽技术运行低阈值CE$ν$NS实验的可行性。

提出的方法

• 在竹洲核电机组的极近距离站点（VNS）部署具有20 eV能量阈值的低温探测器，该站点位于两座热功率为4.25 GW$_{th}$的反应堆之间。
• 采用多靶材料方法，利用不同核素组成，通过其不同的核反冲依赖性来区分CE$ν$NS与中子背景。
• 实施主动与被动屏蔽技术，将背景水平降低至100 counts/(keV·kg·day)以下。
• 采用快速上升时间的探测器响应，尽管覆盖厚度仅约3 m.w.e.，仍可将μ子引起的死时间控制在10%以内。
• 通过蒙特卡洛模拟建模背景贡献并优化探测器配置。
• 采用符合μ子拒收系统，进一步抑制地表运行时的μ子诱导背景。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否利用10 g靶材料，在反应堆现场通过20 eV能量阈值的低温探测器观测到CE$ν$NS？
• RQ2 在背景水平为100 counts/(keV·kg·day)的条件下，NUCLEUS实验在竹洲VNS站点对CE$ν$NS的灵敏度如何？
• RQ3 能否利用CE$ν$NS探测低于1.8 MeV的反应堆反中微子谱？所需的能量分辨率是多少？
• RQ4 在低阈值实验中，多靶方法在区分CE$ν$NS与中子背景方面有多高效，即使事先不了解背景形状？
• RQ5 在NUCLEUS-1kg阶段，CE$ν$NS截面测量的可实现精度是多少？需要降低哪些系统误差？

主要发现

• 在基准背景模型下，NUCLEUS-10g实验在一年的运行时间内可实现对CE$ν$NS的4σ灵敏度。
• 在基准背景模型假设下，预计在约两周的运行时间内即可首次观测到CE$ν$NS。
• 该实验可探测低于1.8 MeV的反应堆反中微子谱，这一能区无法通过逆β衰变探测手段实现。
• 多靶方法可实现对信号与中子背景的有效区分，即使在不了解背景形状的情况下，也得益于其对核素组成的独特依赖性。
• 预计NUCLEUS-1kg阶段的最终截面测量精度可达约1%，但需改进反应堆反中微子谱的预测。
• VNS站点提供约10$^{12}$ $υ$/(s·cm²)的高反中微子通量，且覆盖厚度仅约3 m.w.e.，使得实验可在极简屏蔽条件下运行。