[论文解读] SoLAr: Solar Neutrinos in Liquid Argon

Saba Para, Weber, Michele+25 more|arXiv (Cornell University)|Mar 14, 2022

Dark Matter and Cosmic Phenomena被引用 9

一句话总结

SoLAr 提出了一种基于单片硅像素的读出技术，用于液氩时间投影室（LArTPCs），以实现对低能太阳中微子（包括质子-质子链中难以探测的 'hep' 分支）的高精度探测。该技术实现了约 7% 的能量分辨率，并通过脉冲波形区分实现背景抑制，为首次观测到 hep 中微子以及在 10 吨级探测器中实现对 8B 中微子通量的改进测量铺平了道路。

ABSTRACT

SoLAr is a new concept for a liquid-argon neutrino detector technology to extend the sensitivities of these devices to the MeV energy range - expanding the physics reach of these next-generation detectors to include solar neutrinos. We propose this novel concept to significantly improve the precision on solar neutrino mixing parameters and to observe the "hep branch" of the proton-proton fusion chain. The SoLAr detector will achieve flavour-tagging of solar neutrinos in liquid argon. The SoLAr technology will be based on the concept of monolithic light-charge pixel-based readout which addresses the main requirements for such a detector: a low energy threshold with excellent energy resolution (approximately 7%) and background rejection through pulse-shape discrimination. The SoLAr concept is also timely as a possible technology choice for the DUNE "Module of Opportunity", which could serve as a next-generation multi-purpose observatory for neutrinos from the MeV to the GeV range. The goal of SoLAr is to observe solar neutrinos in a 10 ton-scale detector and to demonstrate that the required background suppression and energy resolution can be achieved. SoLAr will pave the way for a precise measurement of the 8-B flux, an improved precision on solar neutrino mixing parameters, and ultimately lead to the first observation of hep neutrinos in the DUNE Module of Opportunity.

研究动机与目标

• 将液氩中微子探测器的物理探测范围扩展至 MeV 能量范围，以实现对太阳中微子的研究。
• 通过在液氩中集成电荷与光信号读出，实现对太阳中微子的味标签识别。
• 展示实现背景抑制与能量分辨率性能，以满足观测微弱 hep 中微子通量的需求。
• 验证 10 吨级探测器在 DUNE 机会模块中的可行性。
• 实现对 8B 中微子通量和太阳中微子混合参数的高精度测量，且不受振荡不确定性影响。

提出的方法

• SoLAr 探测器采用单片全硅读出单元，每个像素集成了一个 MPPC 光信号探测通道和四个电荷读出通道。
• 光信号通过探测器六个表面中的五个收集，包括使用 X-ARAPUCA 启发的高效光探测器，安装在电场笼后方。
• 电场笼采用 70% 透光率设计，基于 DUNE 模块 2（垂直漂移）概念，以最大化光传输效率。
• 采用膜状杜瓦瓶结构，两端使用放射性纯度高、含氢的层，实现热绝缘与中子慢化，无需定义事例体积。
• 应用脉冲波形区分技术，利用电荷与光信号的联合信息，区分电子反冲事例与背景事例。
• 探测器几何结构以首个 DUNE 模块为蓝本，有效体积为 1.6 m × 2 m × 2.6 m，对应 11.5 吨液氩。

实验结果

研究问题

• RQ1 单片硅像素读出技术能否在液氩中实现 MeV 能量范围中微子相互作用的约 7% 能量分辨率？
• RQ2 脉冲波形区分能否在 1–20 MeV 能量范围内有效抑制太阳中微子探测的背景？
• RQ3 SoLAr 探测器能否实现足够灵敏度以观测 hep 中微子通量（目前因通量极低，约为 7.98×10³ cm⁻²s⁻¹）？
• RQ4 集成电荷-光信号读出能否在液氩中实现太阳中微子的味标签识别，从而克服传统线阵 LArTPC 的局限性？
• RQ5 通过自屏蔽与先进抑制算法，探测器设计能否实现在 14 MeV 以上能量区域的无背景运行？

主要发现

• SoLAr 概念在几 MeV 能量区域实现了约 7% 的能量分辨率，可精确识别太阳中微子组分。
• 探测器设计支持脉冲波形区分，可在 14 MeV 以上实现无背景条件。
• 原型探测器预计能以 >5σ 显著性观测到 8B 太阳中微子，验证该技术在后续大规模部署中的可行性。
• 与传统线阵 APA 读出相比，该设计将光收集效率提高了四倍。
• 预计 SoLAr 探测器对 8B 中微子通量的测量精度可达 2.5%，对 hep 中微子通量的探测灵敏度为 11%。
• 采用放射性纯度高、含氢的膜状杜瓦瓶设计，无需事例体积定义即可实现有效的中子慢化。