[论文解读] Multi-Megaton Water Cherenkov Detector for a Proton Decay Search -- TITAND

Y. Suzuki|ArXiv.org|Oct 2, 2001

Radiation Detection and Scintillator Technologies被引用 20

一句话总结

TITAND 提出了一种可扩展的、多百万吨级的水切伦科夫探测器，用于质子衰变搜索，设计用于浅海海水环境中运行，采用半压力容器结构和直径50 cm、光敏覆盖率达20%的光电倍增管。该探测器在100万吨探测器中实现约7×10³⁴年的3σ发现灵敏度，在1000万吨探测器中实现约4×10³⁵年的3σ发现灵敏度，显著优于当前限制，通过采用严格的动量截断和浮力式模块化结构，有效降低了本底率。

ABSTRACT

In this report, we will show a detector which can be used to search for proton decay in the lifetime region beyond 10$^{35}$ years. We will briefly review the current experimental status and discuss the sensitivity of the future proton decay detectors, and we specifically present a possibility of a scalable multi-megaton water Cherenkov detector immersed in the shallow water.

研究动机与目标

• 开发一种可扩展、成本效益高的多百万吨级水切伦科夫探测器，能够探测超过10³⁵年的质子衰变寿命。
• 通过采用更严格的动量截断和改进事例选择方法，克服现有探测器的局限性，降低本底率。
• 通过使探测器可移动且模块化，实现长基线中微子振荡实验和超新星爆发中微子探测。
• 将建设成本降低至约每2.0百万吨25万美元，使大规模探测器成为可能。
• 探索在浅海海水环境中，利用浮力和压力平衡容器设计运行大型探测器的可行性。

提出的方法

• 探测器采用半压力容器设计，将内部水压维持在10 atm，从而无需使用加压光电倍增管。
• 采用直径50 cm、光敏覆盖率达20%的光电倍增管，每米布置一个，与超级神冈和神冈探测器的设计类似。
• 探测器由四个70×70×100 m的模块在陆地上建造，拖运至现场后，通过海水淡化和纯化系统注入超纯水。
• 外层2米厚的结构作为主动屏蔽层，用于探测宇宙射线缪子并抑制本底。
• 应用100 MeV/c的严格动量截断以降低本底，尽管检测效率有所下降，但显著提升了信噪比。
• 探测器通过压载水舱实现浮力，并利用自定位系统实现约10米精度的位置调整。

实验结果

研究问题

• RQ1 是否能够以低成本建造并可在浅海海水环境中运行多百万吨级水切伦科夫探测器，以探测超过10³⁵年的质子衰变寿命？
• RQ2 如何在不牺牲探测效率的前提下，提高质子衰变搜索中的本底抑制能力？
• RQ3 在严格动量截断条件下，1000万吨探测器对e⁺π⁰模式质子衰变的发现灵敏度如何？
• RQ4 是否能够使大规模探测器具备可移动性和模块化特性，用作中微子振荡实验中的远点探测器？
• RQ5 对于采用20%光电倍增管覆盖率和半压力容器设计的2.0百万吨探测器，其工程实现与成本影响如何？

主要发现

• 在10年运行时间内，采用严格100 MeV/c动量截断的100万吨探测器对e⁺π⁰模式质子衰变的3σ发现灵敏度达到约7×10³⁴年。
• 在相同条件下，1000万吨探测器的3σ发现灵敏度提升至约4×10³⁵年。
• 采用严格动量截断后，本底率降低至约0.15个事件/百万吨·年，远低于标准截断下的约2.2个事件/百万吨·年。
• 该探测器设计可通过平衡浮力力实现浮力运行，无需加压光电倍增管，可在任意水深部署。
• 建设成本估算约为每2.0百万吨25万美元，显著降低了大规模探测器的建设门槛。
• 探测器对超新星中微子爆发具有高灵敏度，预计在距离650 kpc的仙女座星系发生超新星爆发时，每百万吨探测器可探测到约200个事例。