[论文解读] Novel liquid neutrino detection technology (a few examples of) what to do with it? & (a minimalistic) how?

A. Cabrera|arXiv (Cornell University)|May 19, 2021

Astrophysics and Cosmic Phenomena参考文献 39被引用 2

一句话总结

本文提出了一种名为LiquidO的新型液态中微子探测技术，该技术采用不透明闪烁体与密集排列的光纤阵列相结合，以捕获并引导靠近发光点的闪烁光，从而实现高分辨率的事件级成像。该方法实现了每MeV 405个光子的探测量，整体光收集效率达4.05%，突破了传统液态闪烁体的透明度限制，使高浓度掺杂成为可能，为MeV量级中微子物理中的新物理研究提供了机遇。

ABSTRACT

<strong>Parallel Contributed Talk</strong> at the<br> "XIX International Workshop on Neutrino Telescopes"<br> on line - 18-26 February, 2021

研究动机与目标

• 开发一种突破传统对透明闪烁体依赖的中微子探测技术。
• 实现在液态闪烁体探测器中高分辨率的事件级粒子拓扑识别。
• 克服由于衰减和透明度限制导致的大规模探测器中光收集受限的问题。
• 探索在闪烁体中高浓度掺杂（例如208Pb）的可行性，以增强对罕见中微子过程的探测能力。
• 展示该技术在未来的MeV量级中微子物理实验中的潜力，包括超新星爆发探测与CP破坏研究。

提出的方法

• 使用具有高散射性与长吸收长度（λs = 5 mm，λa = 5 m）的不透明闪烁体介质，将光限制在相互作用点附近。
• 采用沿z轴排列、节距为1 cm、直径为0.5 mm的光纤阵列，以收集闪烁光子。
• 利用Geant4模拟光子输运过程，包括光纤芯层的波长转换（吸收长度0.7 mm）以及包层层的全内反射（n = 1.42 和 1.49）。
• 在光纤中应用90%的波长转换效率与10%的光捕获效率，两端SiPM读出的光子探测效率均为50%。
• 在假设90%的光子撞击光纤且部分模拟中达到300光子/MeV的前提下，计算得出整体光收集效率为4.05%（即每MeV 405个光子）。
• 对15 cm直径圆柱体及数米尺度探测器进行模拟，以评估性能与边缘效应。

实验结果

研究问题

• RQ1 采用不透明闪烁体与密集光纤阵列的探测器能否实现对单个中微子相互作用的高分辨率成像？
• RQ2 在基于光纤的光引导系统中，非透明闪烁体介质的光收集效率可达到何种水平？
• RQ3 在存在高浓度掺杂剂的情况下，探测器在区分粒子拓扑结构（如e+与e−或γ）方面的表现如何？
• RQ4 在不损害光收集效率或稳定性的情况下，能否在闪烁体中实现高Z元素掺杂（如208Pb）？
• RQ5 该新型探测范式在MeV量级中微子物理中能开启哪些物理机遇？

主要发现

• LiquidO概念实现了4.05%的总光收集效率，相当于每MeV沉积能量探测到405个光子。
• 由于高散射性，90%的闪烁光子被光纤阵列捕获，仅有10%被不透明闪烁体吸收。
• 撞击光纤的光子比例对散射长度的依赖性较弱，在λs从1 mm到100 mm的范围内仅变化几个百分点。
• 边缘效应可忽略不计，15 cm直径圆柱体内，90%的光子能撞击到光纤上，且中心位于发光点。
• 探测器在大尺度配置下仍保持高性能，模拟覆盖了数米尺度的探测器。
• 该方法实现了高分辨率的事件级拓扑识别，与传统LSD相比，显著提升了本底抑制能力。