[论文解读] The Physics and Nuclear Nonproliferation Goals of WATCHMAN: A WAter CHerenkov Monitor for ANtineutrinos

M. Askins, M. Bergevin+24 more|arXiv (Cornell University)|Feb 4, 2015

Neutrino Physics Research参考文献 20被引用 60

一句话总结

WATCHMAN 提出了一种千吨级、掺钆的水契伦科夫探测器，通过逆β衰变探测反应堆产生的反中微子，实现对核设施的远程非侵入式监测，以支持防扩散目标。该探测器可实现方向性和味标签的超新星中微子探测，验证先进探测器技术，并利用邻近紧凑加速器束流开展对惰性中微子和非标准相互作用的高灵敏度搜索。

ABSTRACT

This article describes the physics and nonproliferation goals of WATCHMAN, the WAter Cherenkov Monitor for ANtineutrinos. The baseline WATCHMAN design is a kiloton scale gadolinium-doped (Gd) light water Cherenkov detector, placed 13 kilometers from a civil nuclear reactor in the United States. In its first deployment phase, WATCHMAN will be used to remotely detect a change in the operational status of the reactor, providing a first- ever demonstration of the potential of large Gd-doped water detectors for remote reactor monitoring for future international nuclear nonproliferation applications. During its first phase, the detector will provide a critical large-scale test of the ability to tag neutrons and thus distinguish low energy electron neutrinos and antineutrinos. This would make WATCHMAN the only detector capable of providing both direction and flavor identification of supernova neutrinos. It would also be the third largest supernova detector, and the largest underground in the western hemisphere. In a follow-on phase incorporating the IsoDAR neutrino beam, the detector would have world-class sensitivity to sterile neutrino signatures and to non-standard electroweak interactions (NSI). WATCHMAN will also be a major, U.S. based integration platform for a host of technologies relevant for the Long-Baseline Neutrino Facility (LBNF) and other future large detectors. This white paper describes the WATCHMAN conceptual design,and presents the results of detailed simulations of sensitivity for the project's nonproliferation and physics goals. It also describes the advanced technologies to be used in WATCHMAN, including high quantum efficiency photomultipliers, Water-Based Liquid Scintillator (WbLS), picosecond light sensors such as the Large Area Picosecond Photo Detector (LAPPD), and advanced pattern recognition and particle identification methods.

研究动机与目标

• 通过反中微子探测实现对民用核反应堆的远程、非侵入式监测，以支持核不扩散目标。
• 验证掺钆水作为大规模中微子探测器中高效中子标记介质的可行性。
• 作为未来大规模中微子探测器（包括长基线中微子设施LBNF）的技术验证平台。
• 利用紧凑加速器束流实现对惰性中微子和非标准中微子相互作用的高灵敏度搜索。
• 为测试基于水的液态闪烁体（WbLS）和皮秒级光电倍增管技术提供关键平台，这些技术对未来的中微子物理研究至关重要。

提出的方法

• 利用逆β衰变反应（ν̄_e + p → e⁺ + n）在13公里距离外探测核反应堆产生的反中微子。
• 通过掺入钆（Gd-H₂O）显著提升中子探测效率，利用其高热中子俘获截面实现约6倍的增益。
• 通过正电子与中子信号在时间与位置上的相关性，实现方向性和味标签识别。
• 采用高量子效率光电倍增管及先进图像识别技术，提升能量分辨率与角度分辨率。
• 基于重建的电子-反中微子散射角度和μ子诱导背景，实施背景抑制技术。
• 集成紧凑加速器束流（ISoDAR）用于惰性中微子和NSI搜索的原位校准与灵敏度增强。

实验结果

研究问题

• RQ1 大规模掺钆水契伦科夫探测器能否在防扩散目的下实现对反应堆运行的可靠远程监测？
• RQ2 在掺钆水中，中子标记在多大程度上可实现对超新星中微子的方向性和味识别？
• RQ3 WATCHMAN在区分惰性中微子和非标准中微子相互作用信号与背景方面效果如何？
• RQ4 利用紧凑加速器束流，WATCHMAN对非标准中微子相互作用的灵敏度如何？
• RQ5 WATCHMAN能否作为未来50–100吨级基于水的液态闪烁体探测器（如Theia）的可行技术前导？

主要发现

• 在5年束流开启、1年束流关闭后，WATCHMAN对非标准中微子相互作用（NSI）的搜索预测达到31.7σ的统计显著性，不确定性为3.2%。
• 对于使用Gd-H₂O靶的惰性中微子搜索，WATCHMAN预测在五年内观测到9010 ± 270次弹性散射事例，统计不确定性为3.0%。
• 该探测器对液态闪烁体靶的信号与背景比约为1:2.4，优于KamLAND的约1:1.4，得益于更高的角度分辨率和背景抑制能力。
• WATCHMAN是全球唯一能够同时提供超新星中微子方向性和味识别能力的探测器，使其成为全球第三大此类探测器。
• 该探测器为基于水的液态闪烁体（WbLS）和皮秒级光电倍增管技术提供了关键测试平台，这些技术对未来的大型中微子实验至关重要。
• WATCHMAN为国际协作的反应堆远程实时验证提供了成本效益高、可扩展的路径，支持通过远程实时验证机制加强防扩散机制。