[论文解读] Future Reactor Experiments

Miao He|arXiv (Cornell University)|Oct 28, 2013

Neutrino Physics Research参考文献 3被引用 4

一句话总结

该论文提出JUNO实验，即一座位于中国距离多个核反应堆53公里处的20千吨液态闪烁体探测器，旨在以亚1%的精度确定中微子质量层次并测量混合参数。通过利用反应堆反中微子能谱中两种振荡模式的干涉，JUNO在3%能量分辨率下实现Δχ² > 16的灵敏度，结合自校准技术以减轻探测器响应中的非线性效应。

ABSTRACT

The measurement of the neutrino mixing angle $θ_{13}$ opens a gateway for the next generation experiments to measure the neutrino mass hierarchy and the leptonic CP-violating phase. Future reactor experiments will focus on mass hierarchy determination and the precision measurement of mixing parameters. Mass hierarchy can be determined from the disappearance of reactor electron antineutrinos based on the interference effect of two separated oscillation modes. Relative and absolute measurement techniques have been explored. A proposed experiment JUNO, with a 20 kton liquid scintillator detector of $3%/$$\sqrt{E(MeV)}$ energy resolution, $\sim$ 53 km far from reactors of $\sim$ 36 GW total thermal power, can reach to a sensitivity of $Δχ^{2}>16$ considering the spread of reactor cores and uncertainties of the detector response. Three of mixing parameters are expected to be measured to better than 1% precision. There are multiple detector options for JUNO under investigation. The technical challenges are new type of PMTs with high efficiency and highly transparent liquid scintillator. Funding has been approved from Chinese Academy of Sciences. A similar proposal was from Korea known as RENO-50. Both of them are going to start data taking around 2020.

研究动机与目标

• 通过精确测量反应堆反中微子能谱，利用反应堆反中微子确定中微子质量层次。
• 实现对三个中微子混合参数的亚1%精度测量。
• 开发并验证自校准技术，以校正液态闪烁体探测器中的能量非线性效应。
• 通过提供一种清洁且与CP相位无关的质量层次测量，支持全球测量轻子CP破坏的努力。
• 通过高效率的光电倍增管和高透明度的液态闪烁体，推动探测器技术的发展。

提出的方法

• 利用能量分辨率为1 MeV时3%的20千吨液态闪烁体探测器，测量反应堆电子反中微子的能谱。
• 对L/E谱（基线长度与能量之比）应用傅里叶变换，以增强振荡频率信息，并识别来自Δm²₃₁和Δm²₃₂的干涉峰。
• 通过冗余振荡周期实现自校准，以校正由淬灭效应和切伦科夫效应引起的能量非线性。
• 采用双触发系统，利用正电子的瞬时信号与延迟的中子俘获信号，识别逆β衰变事例。
• 使用量子效率达35%、接近4π立体角接受度的微通道板光电倍增管（MCP-PMT），以最大化光收集效率。
• 应用先进纯化技术，使液态闪烁体在430 nm波长下的衰减长度达到24米。

实验结果

研究问题

• RQ1 是否可通过中等基线的反应堆反中微子实验以高显著性确定中微子质量层次？
• RQ2 需要何种能量分辨率和探测器覆盖范围，才能实现质量层次灵敏度Δχ² > 16？
• RQ3 如何在无外部校准的情况下校正液态闪烁体探测器中的能量非线性？
• RQ4 混合参数的测量精度可比当前反应堆实验提升多少？
• RQ5 为实现大型液态闪烁体探测器中3%的能量分辨率和高光收集效率，需要哪些技术进步？

主要发现

• 在单个反应堆与探测器的理想情况下，JUNO基于振荡谱中的干涉，实现了对中微子质量层次确定的Δχ² > 16灵敏度。
• 该实验预计将以优于1%的精度测量三个混合参数，显著优于当前测量水平。
• 通过利用多个振荡周期进行自校准，可降低能量非线性影响，即使在能量分辨率不完美时也能保持灵敏度。
• 采用量子效率达35%、带反射型光阴极的MCP-PMT可提高光收集效率，实现使用20英寸管的80%光电倍增管覆盖度。
• 经纯化后，液态闪烁体在430 nm波长下的衰减长度达到24米，支持高光产额和高能量分辨率。
• 偶然本底估计低于IBD信号的10%，且可精确测量；通过 veto 系统，宇宙射线μ子本底可抑制至1%以下。