[论文解读] PROSPECT - A Precision Reactor Oscillation and Spectrum Experiment at Short Baselines

J. Ashenfelter, A. B. Balantekin+64 more|arXiv (Cornell University)|Sep 29, 2013

Nuclear reactor physics and engineering被引用 19

一句话总结

PROSPECT 在高浓缩铀研究反应堆附近短基线（7–20 米）处，采用分段液态闪烁体探测器，开展精确的反应堆反中微子实验，以测量²³⁵U 反中微子能谱，并通过能谱畸变搜索 eV 量级的惰性中微子。该实验结合高分辨率探测、基于事例拓扑的本底抑制以及精确标定，用以检验反应堆异常模型，并推动核保障技术的发展。

ABSTRACT

Current models of antineutrino production in nuclear reactors predict detection rates and spectra at odds with the existing body of direct reactor antineutrino measurements. High-resolution antineutrino detectors operated close to compact research reactor cores can produce new precision measurements useful in testing explanations for these observed discrepancies involving underlying nuclear or new physics. Absolute measurement of the 235U-produced antineutrino spectrum can provide additional constraints for evaluating the accuracy of current and future reactor models, while relative measurements of spectral distortion between differing baselines can be used to search for oscillations arising from the existence of eV-scale sterile neutrinos. Such a measurement can be performed in the United States at several highly-enriched uranium fueled research reactors using near-surface segmented liquid scintillator detectors. We describe here the conceptual design and physics potential of the PROSPECT experiment, a U.S.-based, multi-phase experiment with reactor-detector baselines of 7-20 meters capable of addressing these and other physics and detector development goals. Current R&D status and future plans for PROSPECT detector deployment and data-taking at the High Flux Isotope Reactor at Oak Ridge National Laboratory will be discussed.

研究动机与目标

• 通过在短基线处高精度测量²³⁵U 反中微子能谱，解决反应堆反中微子异常问题。
• 通过测量基线相关的能谱畸变，检验 eV 量级惰性中微子振荡。
• 开发并演示分段液态闪烁体探测器在近地表的部署，为未来反应堆保障应用提供支持。
• 利用基于事例拓扑的截断和事例选区技术，验证本底抑制技术。
• 建立精确的标定方法，以实现分段探测器单元间绝对能量刻度和相对探测效率的精确标定。

提出的方法

• 在高通量同位素反应堆（HFIR）的 7–20 米基线处部署分段液态闪烁体探测器，以实现高统计量的反中微子测量。
• 利用脉冲形状分辨（PSD）和时间窗口筛选，区分电子反中微子事例与本底事例。
• 实施基于事例拓扑的本底抑制和目标选区技术，以减少宇宙射线和固有放射性本底。
• 开展详细的模拟和实验台对闪烁体特性的表征，包括 Birks 参数和光产额，以建立探测器响应模型。
• 利用内部标定源和固有放射性本底（如 α、γ、中子俘获）对相对探测效率和能量刻度进行标定。
• 通过具有连续能谱的 β 发射体进行绝对能量刻度标定，以检验和优化探测器响应模型。

实验结果

研究问题

• RQ1 ²³⁵U 反中微子能谱是否能够以足够高的精度测量，从而解决反应堆模型与实验数据之间的差异？
• RQ2 在短基线处是否存在能谱畸变的证据，表明电子中微子因 eV 量级惰性中微子振荡而消失？
• RQ3 基于事例拓扑的本底抑制和选区技术是否足以在近地表探测器中实现敏感振荡搜索所需的本底抑制？
• RQ4 原型探测器（PROSPECT2 和 PROSPECT20）在多大程度上能够验证完整 PROSPECT 设计和本底估计策略？
• RQ5 在分段液态闪烁体探测器中，利用内部源和本底源进行标定，能否实现对绝对能量刻度和相对探测效率的精确标定？

主要发现

• PROSPECT 实验设计用于高精度测量²³⁵U 反中微子能谱，为当前反应堆通量模型提供关键检验。
• 通过基线相关的能谱畸变测量，可实现对 eV 量级惰性中微子的敏感搜索，对相关振荡参数具有探测灵敏度。
• 原型探测器（PROSPECT2 和 PROSPECT20）正在用于演示基于事例拓扑的截断和选区技术的本底抑制，验证完整实验的可行性。
• 正在开展广泛的探测器和本底模拟，以基准化完整 PROSPECT 模拟，并在最终探测器组装前生成可信的本底估计。
• 正在原型化利用固有放射性本底和内部源的标定技术，以实现对相对和绝对能量刻度的精确标定。
• 合作团队已建立在 HFIR 现场运行的操作程序，包括远程数据传输和运行控制，支持完整探测器系统的高效部署。