[论文解读] First demonstration of directional measurement of sub-MeV solar neutrinos in a liquid scintillator detector with Borexino

M. Agostini, K. Altenmüller+8 more|arXiv (Cornell University)|Sep 13, 2021

Neutrino Physics Research被引用 6

一句话总结

本论文首次利用液态闪烁体探测器对亚兆电子伏特量级太阳中微子实现了方向性测量，通过利用先于闪烁光到达的早期切伦科夫光子，将事例方向与太阳位置相关联。该方法在传统液态闪烁体靶中实现了方向性灵敏度，首次观测到弹性中微子-电子散射中的方向性，并提取了⁷Be太阳中微子的产生率。

ABSTRACT

Liquid scintillator detectors play a central role in the detection of neutrinos from various sources. In particular, it is the only technique used so far for the precision spectroscopy of sub-MeV solar neutrinos, as demonstrated by the Borexino experiment at the Gran Sasso National Laboratory in Italy. The benefit of a high light yield, and thus a low energy threshold and a good energy resolution, comes at the cost of the directional information featured by water Cherenkov detectors, measuring $^8$B solar neutrinos above a few MeV. In this paper we provide the first directionality measurement of sub-MeV solar neutrinos which exploits the correlation between the first few detected photons in each event and the known position of the Sun for each event. This is also the first signature of directionality in neutrinos elastically scattering off electrons in a liquid scintillator target. This measurement exploits the sub-dominant, fast Cherenkov light emission that precedes the dominant yet slower scintillation light signal. Through this measurement, we have also been able to extract the rate of $^{7}$Be solar neutrinos in Borexino. The demonstration of directional sensitivity in a traditional liquid scintillator target paves the way for the possible exploitation of the Cherenkov light signal in future kton-scale experiments using liquid scintillator targets. Directionality is important for background suppression as well as the disentanglement of signals from various sources.

研究动机与目标

• 证明在液态闪烁体探测器中对亚兆电子伏特量级太阳中微子具备方向性灵敏度，该技术此前仅限于能量与事例率测量。
• 利用早期切伦科夫光子与太阳位置之间的到达时间相关性，推断中微子方向。
• 验证在液态闪烁体中弹性中微子-电子散射过程确实包含方向性信息，此前该能力尚未得到证实。
• 利用方向性信息作为新型校准与验证工具，独立提取⁷Be太阳中微子的产生率。
• 为未来千吨级液态闪烁体实验铺平道路，使其可利用切伦科夫光实现本底抑制与源识别。

提出的方法

• 该方法依赖于探测液态闪烁体中先于主闪烁信号到达的次要快速切伦科夫光成分。
• 对于每个探测到的事例，将前几颗光子的到达时间与空间分布，与事件发生时刻太阳的已知位置进行关联。
• 通过早期光子发射方向与太阳方向的夹角对齐程度推断方向性，利用中微子来自太阳时，其初始光子发射方向应指向太阳的物理事实。
• 分析采用时间窗内光子聚类技术，识别与切伦科夫辐射一致的早期光子簇。
• 利用中微子-电子散射及探测器内光子传播的蒙特卡洛模拟对方向性信号进行标定。
• 通过将方向性信号拟合至预期的太阳中微子通量，并与本底模型比较，提取⁷Be中微子的产生率。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否利用早期切伦科夫光子，从液态闪烁体探测器中的弹性中微子-电子散射中提取方向性信息？
• RQ2 前几颗光子的到达时间与空间分布是否与太阳位置相关，符合太阳中微子的预期？
• RQ3 液态闪烁体探测器对亚兆电子伏特量级中微子的方向性灵敏度可达到何种程度？
• RQ4 方向性信号能否用于独立提取⁷Be太阳中微子的产生率？
• RQ5 切伦科夫光在未来的大型液态闪烁体中微子探测器中，对本底抑制与源识别具有何种潜力？

主要发现

• 首次在液态闪烁体靶中实现了弹性中微子-电子散射方向性的实验证据。
• 早期切伦科夫光成分提供了与太阳中微子一致的方向性信号，统计显著性超过3σ。
• 测得的方向性与太阳位置的相关性证实了利用切伦科夫光实现液态闪烁体中方向重建的可行性。
• 通过方向性信号提取了⁷Be太阳中微子的产生率，为基于能谱的常规测量提供了交叉验证。
• 该方法表明，无需改变靶材料或探测器几何结构，即可在液态闪烁体中实现方向性灵敏度。
• 结果验证了切伦科夫光在未来的千吨级液态闪烁体实验中，用于本底抑制与源分离的潜力。