[论文解读] Opportunities for Neutrino Physics at the Spallation Neutron Source: A White Paper

A. Bolozdynya, F. Cavanna+17 more|arXiv (Cornell University)|Nov 22, 2012

Neutrino Physics Research参考文献 75被引用 28

一句话总结

本白皮书提出利用位于橡树岭国家实验室的散裂中子源（SNS）作为高强度、脉冲式、停止π介子的中微子源，发射能量约为30 MeV的νμ和ν̄μ，背景极低，可实现中微子振荡、截面测量以及相干弹性中微子-核反应的高精度研究。SNS的60 Hz、亚微秒脉冲结构可实现10⁻³–10⁻⁴的背景抑制，支持如OscSNS探测轻型惰性中微子的实验以及RED100实验，后者利用100 kg液态氙探测器每年可探测到约1470次相干散射事件。

ABSTRACT

The Spallation Neutron Source (SNS) at Oak Ridge National Laboratory, Tennessee, provides an intense flux of neutrinos in the few tens-of-MeV range, with a sharply-pulsed timing structure that is beneficial for background rejection. In this document, the product of a workshop at the SNS in May 2012, we describe this free, high-quality stopped-pion neutrino source and outline various physics that could be done using it. We describe without prioritization some specific experimental configurations that could address these physics topics.

研究动机与目标

• 探索SNS作为高质量、脉冲式停止π介子中微子源在高精度中微子物理中的潜力。
• 解决10–50 MeV能量范围内中微子-核截面实验数据缺乏的问题，该范围对超新星中微子物理至关重要。
• 通过中微子振荡和奇异衰变，实现对轻型惰性中微子及隐空间隙粒子的探测。
• 利用低阈值探测器测量相干弹性中微子-核散射（CEυNS），检验标准模型并探测非标准相互作用。
• 通过提供氩、铅、水和碳靶的高精度截面数据，支持国际中微子探测器合作项目。

提出的方法

• 利用SNS的60 Hz、亚微秒质子脉冲产生在靶中停止并静止衰变的π介子，生成能量约为30 MeV的单能νμ。
• 利用SNS脉冲的精确时间结构，通过飞行时间标记实现背景抑制，实现10⁻³–10⁻⁴的抑制因子。
• 部署大体积、低阈值探测器，如OscSNS（800吨闪烁体探测器）和RED100（100 kg液态氙探测器），以探测CEυNS等稀有过程及惰性中微子振荡。
• 设计可移动、磁化探测器，配备跟踪与量能器系统，用于扫描衰变顶点并重建隐空间隙粒子（如类光子粒子）的质量。
• 进行详细的蒙特卡罗模拟，以优化探测器布置，考虑产生与衰变的动力学，建模探测器接受度与背景抑制能力。
• 通过双轻子或双胶子对的不变质量重建，独立于特定模型探测隐空间隙粒子的耦合常数与寿命。

实验结果

研究问题

• RQ1 SNS的停止π介子中微子束能否用于高灵敏度检验LSND异常并探测惰性中微子振荡？
• RQ2 在10–50 MeV能量范围内，氩、铅、碳和水的中微子-核截面是多少？这些截面如何影响超新星中微子探测与质量顺序的确定？
• RQ3 能否利用新一代低阈值探测器在SNS观测到相干弹性中微子-核散射？该观测对非标准中微子相互作用有何限制？
• RQ4 可移动、磁化探测器对寿命在10⁻¹⁰–10⁻⁴秒范围的隐空间隙粒子的探测灵敏度如何？其如何探测类光子态？
• RQ5 如何优化SNS中微子通量以实现截面测量的最小系统误差，特别是针对当前及未来中微子实验相关的靶材？

主要发现

• SNS产生高质量、脉冲式中微子束，每种中微子的通量约为10⁷ cm⁻²s⁻¹，主要来自停止π介子的静止衰变，产生约30 MeV的νμ，且飞行衰变污染极少。
• 60 Hz、亚微秒的脉冲结构可实现10⁻³至10⁻⁴的背景抑制因子，显著提升对稀有过程的探测灵敏度。
• OscSNS实验概念（采用800吨闪烁体探测器）可实现超越现有极限的惰性中微子振荡探测能力，并验证LSND异常。
• RED100实验（100 kg液态氙探测器，距离SNS靶40米）预计每年可探测到1470次相干弹性中微子-核散射事件。
• 蒙特卡罗模拟表明，配备跟踪与量能器系统的可移动磁化探测器可扫描广泛的隐空间隙粒子寿命与质量范围，显著提升对类光子粒子及奇异衰变的探测灵敏度。
• SNS中微子能谱与预期的超新星中微子通量高度匹配，使其成为测量影响核心坍缩动力学与核合成的关键截面的理想平台。