[论文解读] JUNO Physics and Detector

Angel Abusleme, Thomas Adam+605 more|arXiv (Cornell University)|Apr 7, 2021

Neutrino Physics Research参考文献 158被引用 9

一句话总结

JUNO 提出在700米深度建设一个20千吨液体闪烁体探测器，以高精度研究中微子性质。利用反应堆反中微子，它可实现3–4σ灵敏度探测中微子质量顺序，并以0.6%的精度测量振荡参数；在10年数据下，可实现3σ灵敏度探测弥漫超新星中微子背景，并探测质子衰变、太阳中微子和地内中微子。

ABSTRACT

The Jiangmen Underground Neutrino Observatory (JUNO) is a 20 kton LS detector at 700-m underground. An excellent energy resolution and a large fiducial volume offer exciting opportunities for addressing many important topics in neutrino and astro-particle physics. With 6 years of data, the neutrino mass ordering can be determined at 3-4 sigma and three oscillation parameters can be measured to a precision of 0.6% or better by detecting reactor antineutrinos. With 10 years of data, DSNB could be observed at 3-sigma; a lower limit of the proton lifetime of 8.34e33 years (90% C.L.) can be set by searching for p->nu_bar K^+; detection of solar neutrinos would shed new light on the solar metallicity problem and examine the vacuum-matter transition region. A core-collapse supernova at 10 kpc would lead to ~5000 IBD and ~2000 (300) all-flavor neutrino-proton (electron) scattering events. Geo-neutrinos can be detected with a rate of ~400 events/year. We also summarize the final design of the JUNO detector and the key R&D achievements. All 20-inch PMTs have been tested. The average photon detection efficiency is 28.9% for the 15,000 MCP PMTs and 28.1% for the 5,000 dynode PMTs, higher than the JUNO requirement of 27%. Together with the >20 m attenuation length of LS, we expect a yield of 1345 p.e. per MeV and an effective energy resolution of 3.02%/\\sqrt{E (MeV)}$ in simulations. The underwater electronics is designed to have a loss rate <0.5% in 6 years. With degassing membranes and a micro-bubble system, the radon concentration in the 35-kton water pool could be lowered to <10 mBq/m^3. Acrylic panels of radiopurity <0.5 ppt U/Th are produced. The 20-kton LS will be purified onsite. Singles in the fiducial volume can be controlled to ~10 Hz. The JUNO experiment also features a double calorimeter system with 25,600 3-inch PMTs, a LS testing facility OSIRIS, and a near detector TAO.

研究动机与目标

• 利用6年反应堆反中微子数据，以3–4σ显著性确定中微子质量顺序。
• 通过反应堆反中微子探测，以0.6%或更好的精度测量三个中微子振荡参数。
• 在10年数据下，以3σ显著性观测弥漫超新星中微子背景（DSNB）。
• 通过搜索p→ν̄K⁺衰变，将质子寿命的下限设为8.34×10³³年（90%置信水平）。
• 通过高分辨率探测低能中微子，研究太阳中微子和太阳金属丰度问题。

提出的方法

• 利用配备20,000个20英寸光电倍增管（PMTs）的20千吨液体闪烁体（LS）探测器，实现高光子探测效率。
• 实现MCP PMTs 28.9%和dynode PMTs 28.1%的光子探测效率，超过27%的要求。
• 采用35千吨水池，配备脱气膜和微气泡系统，将氡浓度降低至<10 mBq/m³。
• 使用放射纯度<0.5 ppt U/Th的丙烯酸板及现场LS纯化技术，最大限度减少本底。
• 采用双量能器系统，配备25,600个3英寸PMTs及近场探测器（TAO）用于校准和交叉验证。
• 模拟得到有效能量分辨率3.02%/√E（MeV），并利用衰减长度超过20米的LS实现1345 p.e./MeV的光产额。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否利用6年反应堆反中微子数据，以3–4σ显著性确定中微子质量顺序？
• RQ2 能否在10年数据下以3σ显著性观测到弥漫超新星中微子背景？
• RQ3 通过在JUNO中搜索p→ν̄K⁺衰变，可设定的质子寿命下限是多少？
• RQ4 能否通过足够高的能量分辨率探测太阳中微子，以研究太阳金属丰度问题？
• RQ5 在10 kpc距离处，核心坍缩超新星中微子的预期事例率是多少？能否与本底区分开？

主要发现

• 在6年数据下，JUNO可实现3–4σ显著性确定中微子质量顺序，并以0.6%或更好的精度测量振荡参数。
• 在10年数据下，可实现3σ显著性观测弥漫超新星中微子背景（DSNB）。
• 通过搜索p→ν̄K⁺衰变，可设定质子寿命下限为8.34×10³³年（90%置信水平）。
• 在10 kpc距离处，一次核心坍缩超新星将产生约5,000次逆β衰变（IBD）和2,000（300）次全 flavor 中微子-质子散射事例。
• 由于高放射纯度和大有效体积，地内中微子的探测率约为每年400个事例。
• 探测器实现模拟有效能量分辨率3.02%/√E（MeV），光产额1,345 p.e./MeV，超过设计目标。