[论文解读] The CLEAR Experiment

K. Scholberg, T. Wongjirad+7 more|ArXiv.org|Oct 12, 2009

Atomic and Molecular Physics参考文献 2被引用 10

一句话总结

CLEAR 实验计划在散裂中子源（SNS）利用 456 kg 液氩或 391 kg 液氖闪烁探测器，在距离 SNS 靶 46 m 处测量相干弹性中微子-核散射（CE$ν$NS）。通过利用 SNS 的脉冲式、高强度中微子束（主要为 29.9 MeV $ν_\mu$，来自停止的 $π^+$ 衰变），实验旨在将 CE$ν$NS 率的测量不确定性控制在 12–13% 之间，从而对标准模型进行精确检验，并通过低阈值核反冲探测新物理。

ABSTRACT

The Spallation Neutron Source in Oak Ridge, Tennessee, is designed to produce intense pulsed neutrons for various science and engineering applications. Copious neutrinos are a free by-product. When it reaches full power, the SNS will be the world's brightest source of neutrinos in the few tens of MeV range. The proposed CLEAR (Coherent Low Energy A (Nuclear) Recoils) experiment will measure coherent elastic neutral current neutrino-nucleus scattering at the SNS. The physics reach includes tests of the Standard Model.

研究动机与目标

• 在脉冲式加速器基中微子源中首次直接测量相干弹性中微子-核散射（CE$ν$NS）。
• 检验标准模型在几 十 MeV 能量范围内的 CE$ν$NS 截面预测。
• 通过低能核反冲的精确测量，探测标准模型之外的新物理。
• 在稀有气体液体探测器中，利用束流时间结构和主动背景表征技术，演示背景抑制方法。
• 实现 CE$ν$NS 率测量的不确定性低于 15%，其中中微子通量不确定性为主要系统误差。

提出的方法

• 利用 SNS 的 60 Hz 脉冲质子束，通过停止的 $π^+$ 衰变产生明确、单色的 29.9 MeV $ν_\mu$ 通量。
• 在距离 SNS 靶 46 m 处部署单相液氩或液氖闪烁探测器，以探测 CE$ν$NS 引起的低能核反冲。
• 应用束流时间切片以排除与束流相关的中子背景，利用 60 Hz 脉冲结构实现约 ~$10^{-4}$ 的背景抑制因子。
• 利用关束数据和模拟，表征非束流背景（宇宙射线、放射性、$^{39}$Ar、氡子核等）。
• 使用伽马射线校准源和已知的闪烁效率，以约 4% 的不确定性确定能量刻度和阈值。
• 应用平坦脉冲形状鉴别切片（后替换为能量依赖切片），以抑制非反冲信号，同时保持信号效率。

实验结果

研究问题

• RQ1 是否可在脉冲式加速器中微子源中，利用低阈值稀有气体液体探测器观测到相干弹性中微子-核散射？
• RQ2 在 SNS 处，考虑到主要系统误差，CE$ν$NS 率的测量精度如何？
• RQ3 在稀有气体液体探测器中，与束流相关的和非束流相关的背景能否被有效抑制和量化？
• RQ4 在约 30 MeV 中微子能量下，测量得到的 CE$ν$NS 率与标准模型预测的符合程度如何？
• RQ5 探测器是否能实现足够的背景抑制和能量阈值稳定性，以分辨亚 MeV 量级的核反冲？

主要发现

• CLEAR 实验预计在一年数据采集期内，液氩探测器的 CE$ν$NS 率测量总不确定性为 12%，液氖探测器为 13%。
• 率测量中的主要不确定性为中微子通量不确定性，估计为 10%。
• 能量阈值不确定性对总系统误差的贡献分别为约 4%（氩）和 3%（氖）。
• 经过时间切片后，与束流相关的中子背景估计值非常小，对信号探测无显著影响。
• 氡子核背景预计在感兴趣能量区域低于 100 m⁻² day⁻¹，与类似实验（如 DEAP-I）已展示的性能一致。
• 信号表现出特征时间结构（来自 $ν_\mu$ 的瞬时信号和来自 $μ^+$ 衰变的延迟信号），可有效与背景分离。