[论文解读] High Energy Neutrino Physics with Liquid Scintillation Detectors

J. G. Learned|ArXiv.org|Feb 23, 2009

Neutrino Physics Research参考文献 4被引用 15

一句话总结

本文提出，大型液态闪烁体探测器（≥1千吨）可利用费马原理，通过识别光锥上最早到达的光子，实现对高能中微子相互作用的方向性和粒子种类分辨，从而精确测定时间和方向。研究表明，此类探测器在GeV量级中微子事例中，其角分辨率和能量分辨率可与水切伦科夫探测器（如超级神冈）相媲美或更优，适用于长基线中微子物理、WIMP间接探测及核子衰变搜索等应用。

ABSTRACT

Large liquid scintillation detectors have been generally dedicated to low energy neutrino measurements, in the MeV energy region (as for example, KamLAND and Borexino). Herein we describe the potential employment of large detectors (>1 kiloton) for studies of higher energy neutrinos interactions, from the cosmic rays and as a long baseline neutrino detector. Generally when people have considered large new instruments such as Hanohano and LENA, they have abandoned the possibility of doing useful measurements with higher energy neutrino interactions since these produce enough light to illuminate every photomultiplier tube, and the scintillation light is isotropic. Here we take into account Fermat's principle, which tells us that indeed the first light to reach the PMTs will be on or near the lightcone, the "Fermat surface", and that directional track information is available. Moreover we have realized that particle type distinction is possible (quasi-elastic muons from electrons). In fact the resolution from a detector of comparable size to SuperKamiokande, may be better in both angle, energy and possibly particle type. This realization opens the doors to a number of applications. Moreover, this capability can be demonstrated with the use of (future) KamLAND detected events in the new long baseline neutrino beam from the Jaeri accelerator in Japan, due to start operations this year. Some of the most attractive possibilities for the future may be in using Hanohano as a movable long baseline detector in this same beam, the employment of LENA in Europe in future long baseline neutrino beams from CERN, and in the DUSEL underground laboratory at Homestake.

研究动机与目标

• 挑战‘大型液态闪烁体探测器因各向同性发光和PMt饱和而不适合高能中微子物理’的假设。
• 证明费马原理可借助首光子到达时间实现高能中微子相互作用的方向重建。
• 表明利用时间与拓扑信息，可在大型闪烁体探测器中实现粒子种类区分（如μ子与电子）。
• 提出大型液态闪烁体探测器可作为未来长基线中微子实验中水切伦科夫探测器的可行替代品或补充。
• 探索其在高能中微子物理中的应用，包括WIMP间接探测与核子衰变搜索。

提出的方法

• 利用首光子到达时间，通过费马原理重建中微子相互作用方向，将光锥（费马面）识别为最早光子被探测到的轨迹集合。
• 应用光电倍增管（PMT）的时间与幅度信息，以亚纳秒级精度确定轨迹方向、能量与顶点位置。
• 利用高能相互作用中早期到达光子的非各向同性特性，即使在各向同性发光条件下，仍可提取方向与拓扑信息。
• 基于KamLAND现有数据及未来束流（如日本原子能研究机构、CERN、费米实验室）的数据，建立长基线中微子束流的探测器响应模型。
• 比较液态闪烁体探测器与水切伦科夫探测器（如超级神冈）在角分辨率、能量分辨率与粒子识别方面的性能。
• 评估使用移动或固定式大型液态闪烁体探测器（如Hanohano、LENA）作为长基线中微子实验末端站的可行性。

实验结果

研究问题

• RQ1 尽管存在各向同性发光，大型液态闪烁体探测器能否实现高能中微子相互作用的方向重建？
• RQ2 首光子飞行时间在多大程度上可用于确定大型闪烁体探测器中高能中微子相互作用的顶点与方向？
• RQ3 在GeV能量区段，大型液态闪烁体探测器能否实现粒子种类区分（如μ子与电子）？
• RQ4 大型液态闪烁体探测器在高能中微子事例中的角分辨率与能量分辨率与水切伦科夫探测器相比如何？
• RQ5 大型液态闪烁体探测器在长基线中微子实验与天体物理探测中有哪些可行应用？

主要发现

• 高能中微子相互作用中最早到达的光子遵循光锥（费马面），通过时间测量可实现精确的方向重建。
• 尺寸与超级神冈相当的探测器在高能中微子事例中，其角分辨率与能量分辨率优于水切伦科夫探测器。
• 利用首光子的到达时间与拓扑信息，可在大型液态闪烁体探测器中实现μ子与电子的粒子种类区分。
• 大型液态闪烁体探测器可同时测量MeV量级与GeV量级的低能与高能中微子，而水切伦科夫探测器不具备此能力。
• Hanohano与LENA探测器因具备可扩展性与方向敏感性，是未来长基线中微子实验的可行候选。
• 该方法可实现对WIMP湮灭信号的潜在探测，通过高精度中微子方向与能量重建，即使在弱相互作用散射角较小的情况下亦可实现。