[论文解读] Space-Time Discriminant to Separate Double-Beta Decay from $^8$B Solar Neutrinos in Liquid Scintillator

Runyu Jiang, A. Elagin|arXiv (Cornell University)|Feb 19, 2019

Neutrino Physics Research参考文献 40被引用 4

一句话总结

本文提出一种基于切伦科夫光与闪烁光的光子到达时间及角度的时空判据，用于在液闪探测器中分离无中微子双贝塔衰变（0νββ）事例与⁸B太阳中微子本底。通过定义切伦科夫-闪烁时空边界并应用加权球谐分析，该方法在90%和70%信号效率下分别实现了1.3倍和2.3倍的本底抑制，结合方向重建技术可进一步降低本底。

ABSTRACT

We present a technique for separating double beta-decay from $^8$B solar neutrino interactions in a liquid scintillator detector. The technique uses position and time of photo-electrons (PEs) to separate directional Cherenkov light from isotropic sintillation light in the reconstruction of the kinematics of candidate events. Here we introduce a Cherenkov-scintillation space time boundary defined as the light cone in the 2-dimensional space of the arrival time and the polar angle of each PE with respect to the axis from the center of the detector to the vertex. The PEs located near the boundary correspond to photons that were emitted early and contain a high fraction of directional Cherenkov PEs. We apply weights derived from the distance to the boundary of each individual PE, which are then used in a spherical harmonics analysis that separates the two-track event topology of double-beta decay from the one-track topology of $^8$B events. The Geant-4 simulation assumes a detector of 6.5 m radius filled with $^{130}$Te-loaded liquid scintillator and surrounded by photo-detectors with time and space resolutions of 100 ps and 3 mm respectively. The scintillation properties and photo-detector quantum efficiency are modeled after KamLAND. Assuming a fiducial volume of 3 m radius, a photo-coverage of 65% and vertex resolution of $σ_{r_v} = $ 5.2 cm at 2.53 MeV the method of reconstructing event topology predicts factors of 1.3 and 2.3 in background suppression at 90% and 70% signal efficiency respectively. Additionally, the PEs near the Cherenkov-scintillation space-time boundary can be used to reconstruct the directionality of one-electron candidate events, allowing for further $^8$B background suppression due to the correlation between the direction of the scattered electron and the position of the sun. We find polar and azimuthal angular resolutions of 0.46 and 0.84 radians respectively.

研究动机与目标

• 为解决大型液闪探测器在寻找无中微子双贝塔衰变过程中⁸B太阳中微子本底的挑战。
• 开发一种利用光电子高分辨率时间与位置测量的方法，以区分双轨迹0νββ衰变事例与单轨迹⁸B中微子事例。
• 通过利用⁸B事例中电子轨迹产生的切伦科夫光的方向性特征，提升本底抑制能力。
• 通过散射电子的方向重建，结合太阳相关性，进一步抑制⁸B本底。
• 评估探测器参数（如光电覆盖率与顶点分辨率）对拓扑与方向性重建性能的影响，以优化未来探测器设计。

提出的方法

• 在以光电子（PE）到达时间与相对于探测器中心到顶点轴的极角构成的二维空间中，定义切伦科夫-闪烁时空边界。
• 根据每个光电子到时空边界的距离为其分配权重，突出显示具有高切伦科夫成分的早期发射光电子。
• 利用源自球谐函数的旋转不变S谱，从加权光电子分布中重建事件拓扑结构。
• 采用最大似然估计法，基于拓扑特征将事例分类为双轨迹（0νββ）或单轨迹（⁸B）。
• 对单电子事例进行方向重建，利用光电子的加权角度分布估算电子散射方向。
• 利用⁸B散射电子方向与太阳位置的相关性，抑制剩余本底。

实验结果

研究问题

• RQ1 基于光电子到达时间与角度分布的时空判据，能否有效分离液闪探测器中0νββ衰变事例与⁸B太阳中微子事例？
• RQ2 切伦科夫-闪烁时空边界在多大程度上能增强对切伦科夫主导型早期光电子的识别，以支持拓扑重建？
• RQ3 在⁸B主导环境中，散射电子的方向重建能在多大程度上提升本底抑制效果？
• RQ4 光电覆盖率与顶点分辨率如何影响拓扑与方向性重建技术的性能？
• RQ5 通过提升切伦科夫光与闪烁光光电子收集效率，可实现多大程度的本底抑制提升？

主要发现

• 在默认探测器配置下，该拓扑重建方法在90%信号效率下实现1.3倍的本底抑制因子，在70%信号效率下实现2.3倍的本底抑制因子。
• 方向性重建的极角分辨率为0.46弧度，方位角分辨率为0.84弧度，极角的RMS误差为0.49弧度。
• 光电覆盖率超过65%后，对拓扑与方向重建性能的提升趋于边际递减。
• 提升切伦科夫光与闪烁光光电子收集比，可在70%信号效率下实现约50%更高的本底抑制。
• 切伦科夫-闪烁时空边界有效富集了光电子样本中的切伦科夫光，从而支持鲁棒的拓扑与方向重建。
• 该方法性能对液闪材料特性与光收集系统时间分辨率敏感，提示未来探测器研发应聚焦于更短发射波长、更长上升时间以及高时间分辨率、红光响应型光电阴极。