[论文解读] Sensitivity of the DANSS detector to short range neutrino oscillations

M. Danilov|arXiv (Cornell University)|Nov 12, 2013

Neutrino Physics Research参考文献 2被引用 14

一句话总结

该论文评估了安装在3 GWth反应堆附近的基洛夫核电站的DANSS探测器对涉及惰性中微子的短基线中微子振荡的灵敏度，采用掺钆闪烁体条带探测逆β衰变事件。在预计每天10,000个反中微子事件、背景低于1%的条件下，该实验对反应堆异常表现出高灵敏度，实现了对振荡参数Δm² ≈ 2 eV²和sin²(2θ₁₄) ≈ 0.2的95%置信水平灵敏度，覆盖了异常所青睐的区域。

ABSTRACT

DANSS is a highly segmented 1m^3 plastic scintillator detector. It's 2500 scintillator strips have a Gd loaded reflective cover. Light is collected with 3 wave length shifting fibers per strip and read out with 50 PMTs and 2500 SiPMs. The DANSS will be installed under the industrial 3 GW reactor of the Kalinin Nuclear Power Plant at distances varying from 9.7m to 12.2m from the reactor core. Tests of the detector prototype DANSSino demonstrated that in spite of a small size (20x20x100 cm^3) it is quite sensitive to reactor antineutrinos, detecting about 70 Inverse Beta Decay events per day with the signal-to-background ratio of about unity. The prototype tests have demonstrated feasibility to reach the design performance of the DANSS detector. The DANSS experiment will detect about 10 thousand antineutrino events per day with a background below ~1%. Detector will be calibrated every day and its position will be changed frequently to reduce systematic errors. These features will provide a high sensitivity to reactor antineutrino oscillations to sterile neutrinos, suggested recently to explain a so-called "reactor anomaly". Data taking will start already next year.

研究动机与目标

• 研究DANSS探测器通过短基线振荡探测惰性中微子以解决反应堆反中微子异常的潜力。
• 评估在商用核反应堆附近使用紧凑、可移动、高精度闪烁体探测器探测惰性中微子振荡的可行性。
• 证明通过频繁移动探测器位置和每日校准，可最大限度减少振荡测量中的系统误差。
• 利用基洛夫NPP的DANSSino原型验证探测器性能和背景水平。
• 基于多个基线距离的形状仅谱分析，提供对惰性中微子振荡的定量灵敏度估计。

提出的方法

• DANSS探测器使用2500根高度分段的掺钆塑料闪烁体条带，探测来自反应堆反中微子的逆β衰变（IBD）事例。
• 每根条带的光通过三条波长位移光纤收集，由50个PM T和2500个SiPM读出，实现对IBD事例精确的能量和空间重建。
• 采用正交PM T模块与每根条带独立SiPM结合的双读出系统，提升能量分辨率并增强背景抑制能力。
• 探测器在距离反应堆堆芯9.7–12.2米的可变距离处安装，以测量振荡效应随基线的变化。
• 通过蒙特卡罗模拟正电子能量谱和快信号（正电子）与延迟信号（中子俘获）之间的时间相关性，评估灵敏度。
• 通过每日校准和频繁移动探测器，平均化空间和环境效应，最大限度减小系统不确定性。

实验结果

研究问题

• RQ1 DANSS探测器能否实现足够灵敏度，以探测由反应堆异常所暗示的涉及惰性中微子的短基线中微子振荡？
• RQ2 在反应堆异常背景下，DANSS探测器对振荡参数Δm²和sin²(2θ₁₄)的预期灵敏度如何？
• RQ3 DANSS设计在抑制背景事件（特别是宇宙μ子和(γ,n)符合事例）方面有多有效？
• RQ4 探测器能够改变基线距离的能力在多大程度上提升了对振荡参数的灵敏度？
• RQ5 蒙特卡罗模拟在基于原型（DANSSino）数据预测探测器性能方面有多可靠？

主要发现

• DANSSino原型每天探测到约70个逆β衰变事例，信号与背景比约为1，证实了该设计的可行性。
• 预计在距离反应堆堆芯11米处，探测器每天可记录约10,000个反中微子事例，背景水平低于1%。
• DANSSino测量的正电子信号能量谱与蒙特卡罗模拟结果高度一致，验证了探测器响应模型。
• 在9.7米和11米基线处正电子能量谱的比值，对于Δm² = 2 eV²和sin²(2θ₁₄) = 0.2，明显表现出振荡模式，表明可探测到振荡。
• 运行一年的95%置信水平灵敏度轮廓覆盖了反应堆异常所青睐的参数空间区域，对sin²(2θ₁₄) ≈ 0.2和Δm² ≈ 2 eV²具有95%置信水平灵敏度。
• 由于频繁移动探测器位置和每日校准，系统误差预计极小，从而提高了振荡测量的可靠性。