[论文解读] Theia: A multi-purpose water-based liquid scintillator detector

V. Fischer|arXiv (Cornell University)|Sep 17, 2018

Neutrino Physics Research参考文献 8被引用 8

一句话总结

Theia 提出了一种50千吨的基于水的液态闪烁体探测器，采用可调谐WbLS和大面积皮秒光电倍增管（LAPPDs），以实现高精度中微子物理研究。通过结合高光产额、低能阈值和快速时间分辨的位置分辨率，Theia 目标在于确定中微子质量顺序，探测CP破坏，检测超新星中微子，并以超过5σ的灵敏度探测无中微子双贝塔衰变，对mββ的极限低于10 meV。

ABSTRACT

Recent developments in the field of liquid scintillator chemistry and fast-timing photosensors paved the way for a new generation of large-scale detectors capable of tackling a broad range of physics issues. Water-based Liquid Scintillator is a novel detection medium that combines the advantages of pure water, including low attenuation, accurate direction reconstruction, and low cost, and those of liquid scintillator, including high light yield and low-threshold detection. When coupled with high efficiency, fast-timing photosensors, such as Large Area Picosecond PhotoDetectors, Water-based Liquid Scintillator exhibits an immense potential for neutrino physics and BSM searches. Theia is a 50-kiloton multi-purpose neutrino detector that aims to jointly deploy these two technologies in order to fulfill its physics program objectives, including the determination of the neutrino mass hierarchy and the CP violation phase in the leptonic sector, the detection of solar, reactor, and supernova neutrinos, and the search for neutrinoless double beta decay and proton decay.

研究动机与目标

• 解决中微子物理中的开放性问题，包括轻子味中的中微子质量顺序和CP破坏。
• 通过液态闪烁体的高光产额，实现在低阈值下对太阳中微子、反应堆中微子和超新星中微子的探测。
• 通过同位素掺杂和事例选区技术，以高灵敏度探测无中微子双贝塔衰变和质子衰变。
• 利用快速时间响应的光敏传感器和可调谐WbLS，提升带电粒子轨迹重建能力和本底抑制效果。
• 通过在SURF运行并共享覆盖层，与DUNE等现有实验形成互补，实现全δCP范围内增强的灵敏度。

提出的方法

• 采用基于水的液态闪烁体（WbLS），即水、液态闪烁体和表面活性剂（如PRS）的稳定均质混合物，通过调节闪烁体含量以在不同能量能区实现最佳性能。
• 采用大面积皮秒光电倍增管（LAPPDs），时间分辨率约50 ns，空间分辨率小于1 cm，通过时间与电荷信息分别重建切伦科夫辐射光和闪烁光。
• 设计一个50千吨的探测器，有效光电覆盖度超过90%，使用超过10万个光敏传感器（PMTs和LAPPDs），采用圆柱形地下结构，覆盖层厚度超过4,000 m.w.e.。
• 实施选区化处理和事例拓扑重建，以抑制双贝塔衰变探测中的本底，特别是通过多符合事件标记技术。
• 将WbLS掺杂可溶性同位素（如¹³⁰Te、¹³⁶Xe、Gd）以增强对无中微子双贝塔衰变和中子探测的灵敏度。
• 利用飞行时间分离切伦科夫光（快速、方向性）和闪烁光（较慢、各向同性）的特性，提升顶点和轨迹重建精度，超越传统PMT基探测器。

实验结果

研究问题

• RQ1 大规模WbLS探测器结合LAPPDs能否实现重建带电粒子轨迹并区分切伦科夫光与闪烁光所必需的时间与位置分辨率？
• RQ2 在高光产额（用于低能物理）与低衰减（用于高能物理）之间取得平衡的前提下，WbLS的最佳组成（闪烁体含量）为何？
• RQ3 当与DUNE协同运行时，Theia能否在全δCP范围内实现对CP破坏的>5σ探测灵敏度？
• RQ4 在使用19吨¹³⁰Te掺杂内球的条件下，Theia对有效马约拉纳质量（mββ）的预期灵敏度是多少？
• RQ5 选区化处理与多符合事件标记在利用WbLS和LAPPDs进行稀有事例探测时，能否有效降低本底？

主要发现

• 当与DUNE联合运行时，Theia预计可在整个δCP范围内实现对中微子质量顺序的探测，并以>5σ显著性实现对CP破坏的发现。
• 在使用19吨¹³⁰Te掺杂球体、暴露量超过10⁵ kg·年的情况下，Theia可将有效马约拉纳质量mββ的上限设定为6.3 meV。
• Theia可实现对¹³⁰Te无中微子双贝塔衰变半衰期的极限为1.1 × 10²⁸年，从而探测到反质量顺序区域。
• 在50千吨WbLS目标下，Theia可实现mββ < 10 meV的灵敏度极限，从而完全覆盖反质量顺序的参数空间。
• LAPPDs的使用可实现对切伦科夫光与闪烁光的精确分离，提升顶点重建精度，并减少中子事例的误重建。
• WbLS的多功能性允许调节闪烁体含量（例如，低能物理中>20%，高能物理中<5%），实现无需重新设计的多用途运行。