[论文解读] Research of the natural neutrino fluxes by use of large volume scintillation detector at Baksan

И. Р. Барабанов, G. Ya. Novikova+2 more|ArXiv.org|Aug 11, 2009

Astrophysics and Cosmic Phenomena参考文献 1被引用 8

一句话总结

本文提出在4,800米水当量（m.w.e.）的巴克桑中微子观测站建造一个5,000吨液体闪烁体探测器，用于测量低能自然中微子通量，主要为铀和钍衰变产生的地热中微子，次要目标包括探测超新星中微子爆发和太阳中微子。通过深地放置和多层屏蔽，探测器设计实现超低本底水平，从而实现中微子振荡、地球放射性热能和潜在地核反应堆信号的高统计精度测量。

ABSTRACT

A large volume scintillation detector is supposed to install at Baksan neutrino observatory INR RAS at Caucasus. The detector will register all possible neutrino fluxes, but mainly geo-neutrinos. In the article the neutrino fluxes are discussed and expected effects in proposed detector are estimated. The design and construction of such a detector is expected to be a part of all the world similar detectors net that is under construction in modern times.

研究动机与目标

• 测量地球内部铀和钍衰变产生的地热中微子通量，以确定放射性衰变对地球热能收支的贡献。
• 通过探测此类源的反中微子发射，检验地球核心存在天然裂变链式反应（地核反应堆）的假说。
• 探测核心坍缩超新星的中微子爆发，包括光谱和强度分析，以揭示中微子质量层级和振荡参数。
• 搜索宇宙中所有大质量恒星引力坍缩历史产生的各向同性中微子背景。
• 测量全球核电机组释放的总反中微子通量，以确认现有的中微子振荡参数。

提出的方法

• 采用基于线性烷基苯（LAB）的大型体积液体闪烁体探测器（目标质量5千吨），具备高光产额和高透明度。
• 将探测器构建为三层同心球形结构：中心闪烁体靶（直径22.5米）、非闪烁液体缓冲层（如矿物油）和外层防伪层（纯水或油），用于通过切伦科夫光探测μ子。
• 在缓冲层的不锈钢表面及防伪层内安装光电倍增管（PMTs），以探测中微子相互作用产生的光脉冲。
• 通过反冲电子探测中微子-电子散射，以及通过正电子-中子符合探测逆β衰变（ν̄e + p → e+ + n），并通过添加浓度为0.5–1 g/L的钆（Gd）增强中子捕获。
• 通过在4,800 m.w.e.深度放置探测器并使用超纯闪烁体（纯度约10−18 g/g，与BOREXINO相当），实现超低本底。
• 利用时间与空间相关的光信号识别并排除背景事件，特别是宇宙射线μ子和本征放射性引起的本底。

实验结果

研究问题

• RQ1 铀和钍在地球地幔和地核中的衰变产生的地热中微子通量是多少？其对行星放射性热通量的贡献如何？
• RQ2 能否通过其反中微子发射探测地球核心中天然裂变链式反应（地核反应堆）的存在？若存在，其能量特征是什么？
• RQ3 在距离小于10 kpc时，探测器能否分辨出类似SN1987A的超新星中微子爆发能量谱，以推断中微子质量层级和振荡参数？
• RQ4 宇宙历史中所有过去核心坍缩超新星产生的各向同性中微子通量是多少？其对这类事件总数的约束如何？
• RQ5 能否测量地球上所有运行中的核电机组释放的总反中微子通量，以验证当前的中微子振荡参数？

主要发现

• 在约50 kpc的距离上，探测器预计可记录约100个来自类似SN1987A的超新星的中微子事件，且在距离小于10 kpc时可进行光谱分析。
• 在10 kpc的距离上，探测器可记录高达1,500个来自超新星爆发的反中微子事件，从而实现详细的光谱分析。
• 探测器5千吨的目标质量（是BOREXINO的20倍）将显著提升对7Be和CNO太阳中微子通量测量的精度。
• 在4×10^32个质子和1.6×10^33个电子的目标下，探测器将实现低能中微子相互作用的高统计精度。
• 中子捕获时间将从无钆时的约200 ms缩短至0.5–1 g/L钆掺杂时的30–50 μs，显著提升信号识别能力。
• 探测器有望以足够灵敏度测量地热中微子通量，以区分当前对放射性热能（44 ± 1 TW）的估计与铀/钍衰变贡献（估计占总量的约50%）之间的差异。