[论文解读] Status Report for the 21th J-PARC PAC : Searching for a Sterile Neutrino at J-PARC MLF (J-PARC E56, JSNS2)

M. Harada, S. Hasegawa+30 more|arXiv (Cornell University)|Jan 6, 2016

Radiation Detection and Scintillator Technologies被引用 4

一句话总结

本文报告了J-PARC的JSNS2实验的最新进展，该实验旨在利用位于汞散裂靶24米外的50吨液态闪烁体探测器，寻找惰性中微子。研究展示了有效的快中子抑制与高效率的电子中微子散射探测，通过延迟符合技术实现背景抑制因子达4.95 × 10⁻⁴，五年运行后统计精度达到2.7%。

ABSTRACT

The JSNS2 (J-PARC E56) experiment aims to search for sterile neutrinos at the J-PARC Materials and Life Sciences Experimental Facility (MLF).After the submission of a proposal to the J-PARC PAC, stage-1 approval was granted to the JSNS2 experiment. The approval followed a series of background measurements which were performed in 2014. Subsequent for stage-1 approval, the JSNS2 collaboration has made continuous efforts to write a Technical Design Report (TDR).This TDR will include two major items as discussed in the previous status report for the 20th J-PARC PAC: (1) A realistic detector location (2) Well understood and realistic detector performance using simulation studies, primarily in consideration of fast neutron rejection. Since August we have been in discussions with MLF staff regarding an appropriate detector location. We are also in the process of setting up a Monte Carlo (MC) simulation framework in order to study detector's performance in realistic conditions. In addition, we have pursued hardware R&D work for the liquid scintillator (LS) and to improve the dynamic range of the 10" photomultiplier tubes (PMTs). The LS R&D works includes Cherenkov studies inside the LS, and a Pulse Shape Discrimination (PSD) study with a test-beam, performed at Tohoku University. We also estimate the PSD performance of a full-sized detector using a detailed MC simulation. In this status report, we describe progress on this work.

研究动机与目标

• 利用J-PARC中冷中子束线（MLF）的π介子和K介子衰变产生的电子中微子，搜索eV量级的惰性中微子。
• 尽管该探测器位置位于大型设备维护区域，非传统实验区域，仍需确立其安全且可行的部署方案。
• 通过液态闪烁体（LAB + 0.03g/L b-PBD）、PMT动态范围及脉冲形状鉴别（PSD）的研制，优化探测器性能。
• 通过最小化本底并最大化信号效率，实现对12C(νe,e−)12N反应的高灵敏度探测。
• 为未来利用高统计量数据测量中微子诱导核反应截面奠定基础。

提出的方法

• 利用宇宙射线μ子触发，在LAB + 0.03g/L b-PBD闪烁体中开展切伦科夫光时间测量，比较切伦科夫光与闪烁光的发射时间。
• 利用东北大学的束流实验数据与全尺寸蒙特卡罗模拟，开展脉冲形状鉴别（PSD）研究，评估中子抑制能力。
• 实施多阶段本底抑制策略：带电粒子拒止切掉、米切尔电子切掉、时间与能量窗口切掉、ΔVTX切掉及寿命切掉。
• 利用蒙特卡罗模拟估算关键信号与本底过程的探测效率与本底抑制因子。
• 基于快信号与延迟信号的时间分布，应用寿命切掉以排除随机符合事件。
• 通过可移动的β/γ源校准探测器响应，并通过直接探测d(νe,e−p)p与d(νe,ν′e n)p反应验证通量测量。

实验结果

研究问题

• RQ1 在距离J-PARC MLF靶24米处的50吨液态闪烁体探测器，能否通过12C(νe,e−)12N反应实现对惰性中微子的足够灵敏探测？
• RQ2 LAB + 0.03g/L b-PBD闪烁体在分辨切伦科夫光与闪烁光方面表现如何，对本底抑制有何贡献？
• RQ3 脉冲形状鉴别与时间窗口切掉在多大程度上可减少快中子与宇宙射线引起的本底？
• RQ4 中微子通量与探测器响应估算的准确性如何？哪些系统误差会影响截面测量？
• RQ5 能否通过延迟符合技术更精确地测量12C(νe,e−)12N∗截面？

主要发现

• 在应用所有切掉（包括寿命切掉）后，探测器总信号效率为14.8%，本底抑制因子达4.95 × 10⁻⁴。
• 仅寿命切掉即可实现0.45的抑制因子，同时保留91%的12C(νe,e−)12N基态信号事件。
• 能量与时间窗口切掉分别将本底减少99.89%与99.99%，其中ΔVTX切掉对本底抑制贡献显著。
• LAB + 0.03g/L b-PBD中的切伦科夫光时间分辨能力与矿物油 + 0.03g/L b-PBD相当，证实其适用于JSNS2实验。
• 在1 MW运行5000小时条件下，预计每年可探测到448个12C(νe,e−)12N基态事件，所有切掉后仅剩138个本底事件。
• 五年数据积累后，12C(νe,e−)12N截面测量的统计不确定性预计为2.7%，可实现高精度物理测量。