[论文解读] Technical Design Report (TDR): Searching for a Sterile Neutrino at J-PARC MLF (E56, JSNS2)

S. Ajimura, J. S. Jang+51 more|arXiv (Cornell University)|May 24, 2017

Neutrino Physics Research参考文献 10被引用 32

一句话总结

本技术设计报告详细介绍了J-PARC设施中MLF的JSNS2实验，提出通过μ子反中微子振荡（$ olimits\bar{\nu}_\mu \to \bar{\nu}_e$）探测无色中微子，采用液态闪烁体探测器。该设计利用高强度散裂中子源、120 mrad的束流传输线，以及配备钆掺杂液态闪烁体的100吨探测器，以增强中子探测能力。主要成果是预计对$ olimits\sin^2 2\theta \sim 10^{-3}$、$ olimits\Delta m^2 \sim 1$ eV$^2$的参数具有探测灵敏度，从而可对LSND异常现象进行决定性检验。

ABSTRACT

In this document, the technical details of the JSNS$^2$ (J-PARC Sterile Neutrino Search at J-PARC Spallation Neutron Source) experiment are described. The search for sterile neutrinos is currently one of the hottest topics in neutrino physics. The JSNS$^2$ experiment aims to search for the existence of neutrino oscillations with $Δm^2$ near 1 eV$^2$ at the J-PARC Materials and Life Science Experimental Facility (MLF). A 1 MW beam of 3 GeV protons incident on a spallation neutron target produces an intense neutrino beam from muon decay at rest. Neutrinos come predominantly from $μ^+$ decay: $μ^{+} o e^{+} + \barν_μ + ν_{e}$. The experiment will search for $\barν_μ$ to $\barν_{e}$ oscillations which are detected by the inverse beta decay interaction $\barν_{e} + p o e^{+} + n$, followed by gammas from neutron capture on Gd. The detector has a fiducial volume of 17 tons and is located 24 meters away from the mercury target. JSNS$^2$ offers the ultimate direct test of the LSND anomaly. In addition to the sterile neutrino search, the physics program includes cross section measurements with neutrinos with a few 10's of MeV from muon decay at rest and with monochromatic 236 MeV neutrinos from kaon decay at rest. These cross sections are relevant for our understanding of supernova explosions and nuclear physics.

研究动机与目标

• 利用J-PARC MLF散裂中子源，通过μ子衰变静止过程产生高通量$ olimits\bar{\nu}_\mu$，实现无色中微子的探测。
• 通过高灵敏度测量$ olimits\bar{\nu}_\mu \to \bar{\nu}_e$振荡参数，对LSND异常现象进行检验。
• 测量中微子诱导的核反应截面，特别是$^{12}\text{C}(\nu_e,e^-)^{12}\text{N}$，以开展中微子-核相互作用研究。
• 开发一种可在高辐射环境下运行、满足严格安全与结构要求的探测器系统。

提出的方法

• 利用J-PARC MLF作为高通量$ olimits\bar{\nu}_\mu$源，通过质子轰击散裂靶产生的μ子衰变静止过程获得。
• 建造一个100吨的液态闪烁体探测器，通过掺杂钆元素增强中子探测能力，利用$^{157}\text{Gd}(n,\gamma)^{158}\text{Gd}$俘获反应。
• 实施多层安全系统，包括不锈钢和丙烯酸储罐、防油泄漏屏障及应急溢流管道，以确保液态闪烁体的密封性。
• 采用光电倍增管（PMT）系统，结合磁屏蔽与噪声抑制技术，确保高信噪比。
• 利用有限元法（FEM）分析验证探测器在静载与地震载荷下的结构完整性，通过销钉与橡胶支座防止地震时探测器位移。
• 应用脉冲波形分辨（PSD）与能量分辨率技术，以区分电子样信号与本底事件。

实验结果

研究问题

• RQ1 JSNS2实验能否实现对$ olimits\bar{\nu}_\mu \to \bar{\nu}_e$振荡的足够灵敏度，探测$ olimits\sin^2 2\theta \sim 10^{-3}$、$ olimits\Delta m^2 \sim 1$ eV$^2$的参数？
• RQ2 探测器中宇宙射线、放射性衰变及束流相关过程的预期本底水平是多少？
• RQ3 探测器的结构设计在运行过程中能否承受地震载荷与机械应力？
• RQ4 脉冲波形分辨与能量分辨率在识别$ olimits\bar{\nu}_e$相互作用产生的电子样事件方面表现如何？
• RQ5 探测器系统能否通过PSD与能量阈值可靠地区分$ olimits\bar{\nu}_e$事例与$ olimits\bar{\nu}_\mu$及$ olimits\bar{\nu}_e$本底？

主要发现

• 预计探测器对$ olimits\Delta m^2 \sim 1$ eV$^2$的参数具有$ olimits\sin^2 2\theta \sim 10^{-3}$的探测灵敏度，足以检验LSND异常现象。
• FEM分析表明，探测器结构可承受地震载荷，最大应力（91.5 MPa）远低于允许极限（237.9 MPa）。
• 地震期间最大位移为9.75 mm，最大倾斜度为1/320，均在安全裕度范围内。
• 用于将探测器固定在地面上的销钉系统可承受最大水平力49,750 kg，混凝土上的承压为62.2 kg/cm²，低于91.8 kg/cm²的允许值。
• 探测器自身的振动模态周期极短，对典型地震频率不敏感，从而降低了动态应力。
• 液态闪烁体系统采用批量生产的、钆掺杂的闪烁体，其纯化与合成工艺经过优化，具有高纯度与高稳定性。