[论文解读] The COHERENT Experiment at the Spallation Neutron Source

COHERENT Collaboration, D. Akimov+65 more|arXiv (Cornell University)|Sep 29, 2015

Dark Matter and Cosmic Phenomena被引用 26

一句话总结

COHERENT 实验在散裂中子源（SNS）测量了相干电弱中微子-核子散射（CEvNS），采用三种探测器系统——CsI、高纯锗和氙，预计在数月内实现5σ观测。该实验验证了截面与N²的依赖关系，并以高精度测量了中微子-核子相互作用，得益于SNS提供的高强度停止π介子中微子束。

ABSTRACT

The COHERENT collaboration's primary objective is to measure coherent elastic neutrino-nucleus scattering (CEvNS) using the unique, high-quality source of tens-of-MeV neutrinos provided by the Spallation Neutron Source (SNS) at Oak Ridge National Laboratory (ORNL). In spite of its large cross section, the CEvNS process has never been observed, due to tiny energies of the resulting nuclear recoils which are out of reach for standard neutrino detectors. The measurement of CEvNS has now become feasible, thanks to the development of ultra-sensitive technology for rare decay and weakly-interacting massive particle (dark matter) searches. The CEvNS cross section is cleanly predicted in the standard model; hence its measurement provides a standard model test. It is relevant for supernova physics and supernova-neutrino detection, and enables validation of dark-matter detector background and detector-response models. In the long term, precision measurement of CEvNS will address questions of nuclear structure. COHERENT will deploy multiple detector technologies in a phased approach: a 14-kg CsI[Na] scintillating crystal, 15 kg of p-type point-contact germanium detectors, and 100 kg of liquid xenon in a two-phase time projection chamber. Following an extensive background measurement campaign, a location in the SNS basement has proven to be neutron-quiet and suitable for deployment of the COHERENT detector suite. The simultaneous deployment of the three COHERENT detector subsystems will test the $N^2$ dependence of the cross section and ensure an unambiguous discovery of CEvNS. This document describes concisely the COHERENT physics motivations, sensitivity and plans for measurements at the SNS to be accomplished on a four-year timescale.

研究动机与目标

• 利用SNS的停止π介子中微子束，以高统计显著性测量相干电弱中微子-核子散射（CEvNS）。
• 验证CEvNS截面与N²的依赖关系，这是标准模型的关键预测。
• 测量铅、铁和铜的中微子-核子截面，以更好地建模和减去CEvNS信号中的非弹性中微子相互作用（NIN）。
• 证明在低温和闪烁探测器中实现低阈值、高灵敏度中微子探测的可行性。
• 为未来升级奠定基础，包括更大目标质量以及新型材料如NaI和氩。

提出的方法

• 利用SNS中来自停止π介子的高强度、低能中微子束，提供一个特性明确的电子中微子源。
• 采用三种独立的探测器系统：CsI(Tl)闪烁体、高纯锗探测器和两相氙时间投影室。
• 应用淬灭因子和探测器效率模拟，以校正闪烁体中阈值效应和能量沉积非线性问题。
• 使用主动和被动屏蔽抑制本底，本底水平估计比CEvNS信号低一个数量级。
• 进行统计分析，系统不确定性主要来自阈值处18.9%的淬灭因子不确定性。
• 将中微子通量的10%不确定性和Pb(νₑ, n)产额的10%不确定性作为关键系统性输入。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否利用SNS中微子束和多种探测器技术，在5σ显著性水平下观测到CEvNS？
• RQ2 所测得的CEvNS截面是否如标准模型预测的那样与原子质量数的平方（N²）成正比？
• RQ3 铅、铁和铜上的非弹性中微子相互作用（NIN）在探测器信号中占多大比例，能否被准确建模？
• RQ4 探测器阈值和淬灭因子不确定性对CEvNS测量灵敏度和解释有何影响？
• RQ5 在低能中微子探测中，不同探测器技术（CsI、Ge、Xe）在灵敏度和本底抑制方面如何比较？

主要发现

• 由于SNS中中微子通量高且本底水平低，预计在数据采集开始数月内即可实现5σ的CEvNS观测。
• CEvNS率的主要系统不确定性为13%，主要源于阈值处18.9%的淬灭因子不确定性。
• 本底水平估计比CEvNS信号低一个数量级，从而支持高显著性测量。
• CsI探测器已安装并投入运行，预计数据采集将持续约三年以达到最大灵敏度。
• 高纯锗探测器系统正处于高级开发阶段，最终建设与安装预计在项目第二年完成，需两年数据采集时间。
• 氙探测器预计在FY17末完成调试，安装前需一年纯化时间，预计因质量大且统计能力强，可在3至6个月内实现灵敏度。