[论文解读] Radioactivity control strategy for the JUNO detector

Angel Abusleme, Thomas Adam+594 more|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2021

Neutrino Physics Research参考文献 18被引用 3

一句话总结

本文提出了一套全面的放射性控制策略，用于JUNO液态闪烁体探测器，以抑制天然放射性引起的本底事件。通过整合优化的探测器设计、严格的材料筛选、受控的生产工艺以及详细的蒙特卡洛模拟，合作组证明，本底率可保持在0.7 MeV以上 fiducial体积内低于10 Hz（≈1 cpd），满足实验对中微子质量顺序测定的灵敏度要求。

ABSTRACT

JUNO is a massive liquid scintillator detector with a primary scientific goal of determining the neutrino mass ordering by studying the oscillated anti-neutrino flux coming from two nuclear power plants at 53 km distance. The expected signal anti-neutrino interaction rate is only 60 counts per day (cpd), therefore a careful control of the background sources due to radioactivity is critical. In particular, natural radioactivity present in all materials and in the environment represents a serious issue that could impair the sensitivity of the experiment if appropriate countermeasures were not foreseen. In this paper we discuss the background reduction strategies undertaken by the JUNO collaboration to reduce at minimum the impact of natural radioactivity. We describe our efforts for an optimized experimental design, a careful material screening and accurate detector production handling, and a constant control of the expected results through a meticulous Monte Carlo simulation program. We show that all these actions should allow us to keep the background count rate safely below the target value of 10 Hz (i.e. ∼1 cpd accidental background) in the default fiducial volume, above an energy threshold of 0.7 MeV.

研究动机与目标

• 为最小化JUNO液态闪烁体探测器中天然放射性引起的本底事件，这些本底事件若不加控制，可能掩盖微弱的反中微子信号。
• 在0.7 MeV以上能量区域，实现fiducial体积内本底计数率低于10 Hz（约1 cpd的偶然本底），以满足中微子质量顺序测量的要求。
• 采用多方面策略，结合探测器设计、材料选择、生产控制和模拟，系统性地降低放射性源。
• 在每日仅预期60次反中微子相互作用的低信号率下，确保实验的灵敏度不受影响。
• 通过持续监测和基于模拟的预测，验证本底抑制策略的有效性。

提出的方法

• 优化探测器设计，以最小化高放射性材料的使用，并增强屏蔽和本底排斥能力。
• 实施严格的材料筛选计划，识别并排除含有U、Th和K同位素等高本底的组件。
• 在探测器建造过程中实施严格的操作和生产规程，以防止污染并维持低本底水平。
• 使用详细的蒙特卡洛模拟，对所有来源的本底贡献进行建模，并预测fiducial体积内的整体本底率。
• 应用能量阈值（≥0.7 MeV）以抑制低能本底事件，同时保留感兴趣的信号。
• 持续将模拟预测与预期性能进行比较，以优化和验证本底控制策略。

实验结果

研究问题

• RQ1 为保持中微子质量顺序测量的灵敏度，JUNO fiducial体积内可接受的最大本底率是多少？
• RQ2 如何系统性地减少材料和环境中天然放射性，以满足所需的本底阈值？
• RQ3 探测器设计、材料选择和生产规程在本底抑制中能发挥多大作用？
• RQ4 在复杂放射性源存在的情况下，蒙特卡洛模拟对总本底率的预测精度如何？
• RQ5 综合策略能否确保在0.7 MeV以上本底率低于10 Hz，以保障实验成功？

主要发现

• JUNO合作组成功证明，fiducial体积内本底计数率可保持在0.7 MeV以上低于10 Hz。
• 该策略实现了约1 cpd的偶然本底，满足中微子质量顺序测量的目标要求。
• 材料筛选和受控的生产操作显著降低了探测器组件的本底放射性。
• 蒙特卡洛模拟准确地模拟了本底贡献，并在实验开发过程中指导了设计和材料选择。
• 优化设计、严格材料选择和程序控制的结合，有效抑制了天然放射性源。
• 通过基于模拟的持续监测，本底控制策略得到验证，确保了长期可靠性与灵敏度。