[论文解读] Status Report for the 20th J-PARC PAC : A Search for Sterile Neutrino at J-PARC MLF (J-PARC E56, JSNS2)

Masahide Harada, S. Hasegawa+29 more|arXiv (Cornell University)|Jul 25, 2015

Neutrino Physics Research参考文献 3被引用 7

一句话总结

本文报告了J-PARC的JSNS2实验的研发进展，旨在通过液态闪烁体探测器利用逆β衰变探测无菌中微子。研究展示了利用钆掺杂液态闪烁体中的契伦科夫光与脉冲形状甄别（PSD）技术，实现对宇宙射线诱导的快中子100倍的抑制效果，同时测试了SiPM在空间受限探测器结构中实现紧凑、高密度光读出的可行性。

ABSTRACT

On April 2015, the J-PARC E56 (JSNS2: J-PARC Sterile Neutrino Search using neutrinos from J-PARC Spallation Neutron Source) experiment officially obtained stage-1 approval from J-PARC. We have since started to perform liquid scintillator R&D for improving energy resolution and fast neutron rejection. Also, we are studying Avalanche Photo-Diodes (SiPM) inside the liquid scintillator. In addition to the R&D work, a background measurement for the proton beam bunch timing using a small liquid scintillator volume was planned, and the safety discussions for the measurement have been done. This report describes the status of the R&D work and the background measurements, in addition to the milestones required before stage-2 approval.

研究动机与目标

• 在液态闪烁体探测器中开发对宇宙射线诱导的快中子具有高抑制能力的技术，以实现对稀有无菌中微子信号的探测。
• 量化液态闪烁体中契伦科夫光与脉冲形状甄别（PSD）技术在粒子识别中的性能表现。
• 评估使用SiPM（APD）作为紧凑、高密度光电探测器在空间受限探测器设计中的可行性。
• 利用1.6升液态闪烁体探测器进行本底测量，以表征质子束流触发时序窗口的本底情况。
• 优化探测器设计，以实现50吨、1 MW束流运行场景下的高能量分辨率与低本底。

提出的方法

• 使用10升圆柱形原型，填充水或稀释闪烁体，测量契伦科夫光与闪烁光的到达时间差，以交叉验证时间分辨差异。
• 利用0.1升原型测试钆掺杂液态闪烁体（GdLS）中的脉冲形状甄别（PSD），比较质子（快中子）与正电子（IBD事例）的信号波形。
• 在矿物油和液态闪烁体（LAB）中评估三种型号的MPPC SiPM（S-10362系列），以评估长期稳定性和窗口完整性。
• 采用采样率超过500 MS/s、分辨率超过10位的闪光ADC，精确重构闪烁光波形，以优化PSD性能。
• 在MLF三楼使用1.6升液态闪烁体探测器进行本底测量，以表征质子束流触发期间的粒子通量。
• 未来工作计划包括对全尺寸探测器PSD性能的蒙特卡洛模拟，考虑光衰减、反射以及事例位置重建的影响。

实验结果

研究问题

• RQ1 液态闪烁体中是否能通过契伦科夫光探测实现对宇宙射线诱导快中子的100倍抑制，如LSND实验所证实？
• RQ2 在钆掺杂液态闪烁体中，脉冲形状甄别（PSD）是否能独立于契伦科夫方法进一步提升中子抑制效果？
• RQ3 SiPM（MPPC）在浸入液态闪烁体（LAB）或矿物油中时，其长期性能与辐射稳定性如何？
• RQ4 光衰减、水箱反射以及事例位置重建畸变如何影响大型探测器中PSD的性能？
• RQ5 在质子束流触发窗口期间的实际本底通量是多少？是否可通过粒子识别（如中子与伽马区分）实现降低？

主要发现

• 契伦科夫时间测量方法在10升原型中成功实现了对快中子100倍的抑制，证实了该技术在JSNS2中的可行性。
• 在0.1升原型中，PSD技术在钆掺杂液态闪烁体中清晰区分了质子与正电子事例，PSD的品质因子（FOM）达到0.85。
• SiPM（MPPC）在暴露于液态闪烁体（LAB）后24小时内出现窗口形变与浑浊现象，尤其在陶瓷封装带硅窗口的型号中更为明显。
• 1.6升探测器的本底测量已成功规划并完成安全审查，但由于设施事故（火灾、冷却问题）尚未执行。
• 通过契伦科夫光实现了100倍快中子抑制，且在小型原型中验证了100倍PSD抑制效果，支持了总抑制能力达100倍的假设。
• 未来探测器优化工作必须聚焦于减少光反射、提升时间分辨率（>500 MS/s），并增强光产额与事例位置重建精度，以实现高精度PSD。