[论文解读] Future Advances in Photon-Based Neutrino Detectors: A SNOWMASS White Paper

J. Klein, Tomi Akindele+18 more|arXiv (Cornell University)|Mar 14, 2022

Neutrino Physics Research被引用 8

一句话总结

本SNOWMASS白皮书提出采用液态闪烁体（含慢荧光体，如苊烯）和液氩（LAr）涂覆波长位移涂层的先进光子基中微子探测器，以增强方向性切伦科夫光的探测。通过利用现有光电倍增管（PMT）技术，并利用切伦科夫光与闪烁光在时间与光谱特性上的差异，该方法可实现对低能太阳中微子探测中能量、位置及粒子识别的改进，模拟结果表明，在约1000吨·年的曝光量下，可实现1σ置信度下对CNO中微子通量10%的灵敏度。

ABSTRACT

We discuss here new, enabling technologies for future photon-based neutrino detectors. These technologies touch nearly every aspect of such detectors: new scintillating materials, new methods of loading isotopes, new photon sensors and collectors, new approaches to simulation and analysis, and new front-end electronics and DAQ ideas. Of particular interest are technologies that enable broad physics programs in hybrid Cherenkov/scintillation detectors, such as slow fluors, water-based liquid scintillator, and spectral sorting of photons. Several new large-scale detector ideas are also discussed, including hybrid detectors like Theia, ArTEMIS, and generic slow-fluor detectors, as well as the very different SLIPs and LiquidO approaches to instrumenting photon-based detectors. A program of demonstrators for future detectors, including ANNIE, Eos, and NuDOT are also discussed.

研究动机与目标

• 通过液态闪烁体中的方向性切伦科夫光，提高对低能太阳中微子，特别是CNO中微子的测量精度。
• 解决在有机液态闪烁体中，切伦科夫光谱被强烈闪烁信号掩盖，难以区分切伦科夫光与闪烁光的问题。
• 探索在液氩探测器中使用TPB涂覆与未涂覆PMT的可行性，通过波长与时间差异实现对切伦科夫光与闪烁光的清晰分离。
• 证明现有PMT技术可在探测器体积与光电覆盖率与SNO+和KamLAND等现有实验相当的条件下，实现高灵敏度。
• 通过提升本底抑制与重建精度，使未来千吨级探测器能够增强对低能中微子及新物理的探测灵敏度。

提出的方法

• 在液态闪烁体中使用苊烯等慢荧光体，以增强方向性切伦科夫光的收集，降低本底并提高能量与位置分辨率。
• 利用液氩中光谱分离的特性：闪烁光在128 nm，切伦科夫光位于紫外-可见光范围，使未涂覆PMT可实现清晰探测。
• 在50%的PMT上涂覆波长位移涂层（如TPB）以探测闪烁光，而未涂覆PMT仅探测切伦科夫光，从而实现事件参数的双重重建。
• 利用时间差异：切伦科夫光为瞬时脉冲，而液氩中闪烁光具有纳秒级上升与衰减时间，TPB的约2 ns再发射寿命可进一步增强该差异。
• 使用Chroma与pyrat进行GPU加速的蒙特卡洛模拟，构建一个与DUNE探测器尺寸相当的液氩探测器（13.5 × 13.0 × 60.0 m³），配备60,000个10英寸PMT，光电覆盖率86%。
• 结合切伦科夫光与闪烁光数据进行粒子相互作用重建，实现稳健的粒子识别与能量/位置重建。

实验结果

研究问题

• RQ1 使用苊烯作为慢荧光体的液态闪烁体能否提供足够的方向性切伦科夫信息，以提升CNO中微子通量测量的精度？
• RQ2 现有PMT技术在不依赖新型光探测器开发的前提下，能否实现低能中微子探测所需的灵敏度？
• RQ3 在液氩探测器中，通过波长与时间分辨技术，使用TPB涂覆与未涂覆PMT能否实现对切伦科夫光与闪烁光的清晰分离？
• RQ4 在液态闪烁体中采用方向性切伦科夫探测，需要多大曝光量才能在1σ置信度下实现对CNO中微子通量10%的约束？
• RQ5 与单光子探测相比，液氩中结合切伦科夫光与闪烁光探测在粒子识别与事件重建方面有何改进？

主要发现

• 使用苊烯作为慢荧光体的液态闪烁体可提供足够的能量与位置分辨率以实现CNO中微子探测，且通过方向性切伦科夫信息实现本底抑制的改善。
• 使用更快PMT仅带来有限改进，表明当前PMT技术已足以满足所提出方法的需求。
• 模拟结果表明，具有86%光电覆盖率与50% TPB涂覆PMT的DUNE尺寸液氩探测器，其切伦科夫光探测水平可与现代水切伦科夫探测器（如SNO与Super-K）相媲美。
• 波长与时间分辨的结合可实现切伦科夫光与闪烁光的清晰分离，TPB的2 ns再发射寿命进一步增强了该区分能力。
• 在所提出的液态闪烁体装置中，约1000吨·年的曝光量可实现1σ置信度下对CNO中微子通量10%的约束。
• 液氩中的ArTEMIS概念通过省去电荷读出需求，提供了一种比时间投影室更简单的替代方案，同时保持对完整粒子相互作用通道的敏感度。