[论文解读] Intensive neutrino source on the base of lithium converter

Vladimir Lyashuk, Yu. S. Lutostansky|arXiv (Cornell University)|Mar 4, 2015

Particle accelerators and beam dynamics参考文献 9被引用 3

一句话总结

本文提出一种基于⁸Li的β衰变的新型高强度反中微子源，通过在锂转换器中利用中子活化产生⁷Li。采用高纯度⁷Li或重水中的LiOD，结合强中子源（如加速器或反应堆），该方法可实现高达13 MeV（平均6.5 MeV）的硬反中微子能谱，相比反应堆源显著降低了能谱不确定性，为精确中微子实验提供了新途径。

ABSTRACT

An intensive antineutrino source with a hard spectrum (with energy up to 13 MeV, average energy 6.5 MeV) can be realized on the base of beta-decay of short living isotope 8Li (0.84 s). The 8Li isotope (generated in activation of 7Li isotope) is a prime perspective antineutrino source owing to the hard antineutrino spectrum and square dependence of cross section on the energy. Up today nuclear reactors are the most intensive neutrino sources. Antineutrino reactor spectra have large uncertainties in the summary antineutrino spectrum at energy E>6 MeV. Use of 8Li isotope allows to decrease sharply the uncertainties or to exclude it completely. An intensive neutron fluxes are requested for rapid generation of 8Li isotope. The installations on the base of nuclear reactors can be an alternative for nuclear reactors as traditional neutron sources. It is possible creation of neutrino sources another in principle: on the base of tandem of accelerators, neutron generating targets and lithium converter. An intensive neutron flux (i.e., powerful neutron source) is requested for realization of considered neutrino sources (neutrino factories). Different realizations of lithium antineutrino sources (lithium converter on the base of high purified 7Li isotope) are discussed: static regime (i.e., without transport of 8Li isotope to the neutrino detector); dynamic regime (transport of 8Li isotope to the remote detector in a closed cycle); an operation of lithium converter in tandem of accelerator with a neutron-producing target on the base of tungsten, lead or bismuth. Different chemical compounds of lithium (as the substance of the converter) are considered. Heavy water solution of LiOD is proposed as a serious alternative to high-pure 7Li in a metallic state.

研究动机与目标

• 开发一种新型高强度反中微子源，具有硬能谱（最高13 MeV），以提升中微子振荡和截面测量的精确度。
• 降低当前在6 MeV以上能量区域反应堆反中微子能谱的较大不确定性，这些不确定性目前限制了实验精度。
• 探索基于加速器驱动中子产生和基于锂的⁸Li生成的替代中微子源设计，独立于核反应堆。
• 评估不同锂化合物（如金属⁷Li、重水中的LiOD）作为高效⁸Li生成和反中微子发射的转换材料的可行性。

提出的方法

• 利用中子照射⁷Li产生短寿命的⁸Li（半衰期0.84 s），其通过β⁻衰变发射高能反中微子。
• 采用带有中子生成靶（如钨、铅或铋）的串联加速器系统，产生高强度中子通量，以高效激活⁷Li。
• 实施两种运行模式：静态模式（固定转换器靠近探测器）和动态模式（在密闭循环中输送⁸Li至远端探测器），以提高实验设计的灵活性。
• 使用高纯度金属⁷Li或LiOD溶解于重水中作为锂转换器介质，重水在中子慢化和化学稳定性方面具有优势。
• 利用⁸Li衰变截面的平方律能量依赖性，最大化高能区的反中微子产额。
• 通过优化中子通量密度和⁸Li生成效率，设计系统以最小化本底并最大化反中微子通量。

实验结果

研究问题

• RQ1 基于锂的转换器系统能否产生足够强的反中微子通量，且具有硬能谱（最高13 MeV），以满足精确中微子实验的需求？
• RQ2 不同锂化合物（如金属⁷Li与重水中的LiOD）在⁸Li生成效率和实际应用方面有何差异？
• RQ3 与基于反应堆的反中微子源相比，此类源在E > 6 MeV区域能将能谱不确定性降低到何种程度？
• RQ4 在动态运行模式下，如何在保持高产额的同时，将⁸Li在密闭循环中输运至远端探测器，面临哪些技术与操作挑战？
• RQ5 加速器驱动的中子源（如带有W/Pb/Bi靶的串联加速器）能否作为此类系统中⁸Li生成的主要中子源，替代核反应堆？

主要发现

• ⁸Li衰变产生硬反中微子能谱，最大能量达13 MeV，平均能量为6.5 MeV，显著高于典型反应堆能谱。
• ⁸Li反中微子能谱具有截面的平方律能量依赖性，可增强高能区的产额，从而改善信背比。
• 使用高纯度⁷Li或重水中的LiOD作为转换器介质，可实现高效⁸Li生成，同时降低化学与热应力挑战。
• 动态输运模式可实现反中微子源的远程部署，支持新型实验构型，并降低探测器中的本底。
• 所提出的系统可大幅降低或消除E > 6 MeV区域的能谱不确定性，这是当前基于反应堆的中微子源的主要限制。
• 采用加速器驱动的中子源（如带有W/Pb/Bi靶的串联加速器）为中子生产提供了可行且可扩展的替代方案，可替代核反应堆。