[论文解读] The COHERENT Experimental Program

D. Akimov, S. Alawabdeh+129 more|arXiv (Cornell University)|Apr 10, 2022

Dark Matter and Cosmic Phenomena被引用 7

一句话总结

位于橡树岭国家实验室散裂中子源（SNS）的COHERENT实验首次利用高强、高纯度中微子束，在碘化铯和氩上实现了相干弹性中微子-核散射（CEvNS）的测量。该实验持续推动标准模型的精密检验，并利用下一代探测器和升级后的SNS束流功率，探索标准模型之外的物理——包括暗物质、惰性中微子和轴子样粒子。

ABSTRACT

The COHERENT experiment located in Neutrino Alley at the Spallation Neutron Source (SNS), Oak Ridge National Laboratory (ORNL), has made the world's first two measurements of coherent elastic neutrino-nucleus scattering (CEvNS), on CsI and argon, using neutrinos produced at the SNS. The COHERENT collaboration continues to pursue CEvNS measurements on various targets as well as additional studies of inelastic neutrino-nucleus interactions, searches for accelerator-produced dark matter (DM) and physics beyond the Standard Model, using the uniquely high-quality and high-intensity neutrino source available at the SNS. This white paper describes primarily COHERENT's ongoing and near-future program at the SNS First Target Station (FTS). Opportunities enabled by the SNS Second Target Station (STS) for the study of neutrino physics and development of novel detector technologies are elaborated in a separate white paper.

研究动机与目标

• 在多种核靶（包括碘化铯和氩）上测量相干弹性中微子-核散射（CEvNS），以检验标准模型并探索新物理。
• 利用灵敏度提升的CEvNS探测器，搜索加速器产生的暗物质和惰性中微子。
• 研究低能中微子散射中的非弹性中微子-核相互作用及核结构效应。
• 开发并部署下一代探测器——如吨级液氩TPC、低温闪烁体和高纯锗阵列——以提升物理探测能力。
• 利用SNS提供的高质量、衰变静止中微子束（DAR纯度超过99%），最大限度减少本底，实现精确测量。

提出的方法

• 利用SNS的高强脉冲质子束，通过π介子衰变静止（DAR）产生中微子，获得清洁、时间精确的中微子源，背景极低。
• 采用低阈值、低本底探测器，如NaI(Tl)、CsI和高纯锗（HPGe）晶体，探测CEvNS产生的核反冲，能量阈值低于1 keV。
• 应用标准模型对CEvNS截面的预测：$\frac{d\sigma}{dT} = \frac{G_F^2 M}{2\pi} \left[ (G_V + G_A)^2 + (G_V - G_A)^2 \left(1 - \frac{T}{E_\nu}\right)^2 - (G_V^2 - G_A^2) \frac{MT}{E_\nu^2} \right]$，其中$G_V$和$G_A$取决于中子和质子含量及核形式因子。
• 部署先进的低温和闪烁探测技术，包括低温无掺杂碘化铯和液氩时间投影室（LAr TPC），以提升能量分辨率并抑制本底。
• 采用主动μ子 veto 系统和深地屏蔽，减少宇宙射线和放射性本底。
• 通过放射性源精确标定和原位监测，确保能量刻度准确性和探测器稳定性。

实验结果

研究问题

• RQ1 碘化铯和氩上的CEvNS截面是多少？是否与标准模型预测一致？
• RQ2 CEvNS测量能否约束非标准相互作用（NSIs）或标准模型之外的新物理？
• RQ3 CEvNS探测器对SNS产生的低质量暗物质粒子的探测灵敏度如何？
• RQ4 CEvNS数据能否揭示惰性中微子或非弹性中微子-核散射的证据？
• RQ5 核形式因子和淬灭效应如何影响不同闪烁体和半导体探测器对低能核反冲的响应？

主要发现

• COHERENT于2017年首次观测到碘化铯上的CEvNS，以千分之几的精度验证了标准模型预测。
• 2020年，COHERENT报告了首次在氩上测量CEvNS，证明了使用稀有气体液体进行低能中微子探测的可行性。
• 合作组已在中微子走廊（Neutrino Alley）部署了2吨NaI(Tl)探测器和18公斤高纯锗探测器，用于通量归一化和本底研究。
• COHERENT计划开发750公斤液氩闪烁量热计（COH-Ar-750）和1吨NaI(Tl)探测器（COH-NaI-2），均旨在实现对CEvNS和暗物质的高灵敏度探测。
• 正在开发一种低温无掺杂碘化铯闪烁体（COH-CryoCsI-1），以提升光产额并精确表征淬灭因子，从而改善能量分辨率。
• 预计SNS将在2025年达到2兆瓦束流功率，2030年代将建设第二靶站，最终实现2.8兆瓦功率，显著提升物理探测能力。