Large-‑Scale ¡Cryogenic ¡Detectors, ¡ and ¡Sensi5vity ¡to ¡Solar ¡Physics ¡ Dan ¡McKinsey ¡ Yale ¡University ¡ ¡ Future ¡Solar ¡Neutrino ¡Detector ¡at ¡JinPing ¡Workshop ¡ Lawrence ¡Berkeley ¡Na5onal ¡Laboratory ¡ June ¡9, ¡2014 ¡
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pp ¡and ¡ 7 Be ¡Solar ¡Neutrino ¡ Measurements ¡in ¡LXe ¡ • Proposed ¡experiments: ¡XMASS ¡(single-‑phase), ¡XAX, ¡ DARWIN, ¡XENON10T ¡(two-‑phase) ¡ ¡ • Main ¡background ¡is ¡two-‑neutrino ¡double ¡beta ¡decay ¡ from ¡ 136 Xe ¡(T 1/2 =2.1e21 ¡years) ¡ • Requires ¡subtrac5on ¡of ¡this ¡background. ¡Can ¡also ¡ consider ¡using ¡ 136 Xe-‑depleted ¡LXe ¡(expensive, ¡though ¡ could ¡be ¡paired ¡with ¡a ¡dedicated, ¡separate ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ 136 Xe-‑enriched ¡double ¡beta ¡decay ¡experiment?) ¡ 6/9/14 ¡ 3 ¡
Solar ¡Neutrino ¡and ¡Background ¡Es5mates ¡in ¡DARWIN ¡ 21.4 ¡ton ¡LXe ¡(14 ¡ton ¡fiducial). ¡Kr/Xe ¡at ¡0.1 ¡ppt. ¡ 6/9/14 ¡ 4 ¡
Solar ¡Neutrino ¡and ¡Background ¡Es5mates ¡in ¡DARWIN ¡(2-‑30 ¡keV) ¡ Predicted ¡signal ¡and ¡background ¡rates ¡in ¡the ¡2-‑30 ¡keV ¡energy ¡region ¡as ¡a ¡func5on ¡of ¡fiducial ¡ liquid ¡xenon ¡mass, ¡for ¡a ¡proposed ¡21.4 ¡ton ¡(14 ¡ton ¡fiducial) ¡DARWIN ¡experiment. ¡ In ¡5 ¡years, ¡have ¡5900 ¡pp ¡neutrino ¡events, ¡3925 ¡ 136 Xe ¡double ¡beta ¡decay ¡events, ¡and ¡2825 ¡ 85 Kr ¡events ¡in ¡this ¡energy ¡window. ¡ If ¡background ¡rates ¡perfectly ¡known , ¡have ¡a ¡pp-‑solar ¡ neutrino ¡precision ¡of ¡sqrt(5900+3925+2823)/5900 ¡= ¡2.0%. ¡Use ¡ 136 Xe-‑depleted ¡LXe ¡instead? ¡ 6/9/14 ¡ 5 ¡
CLEAN ¡ ¡ (Cryogenic ¡Low ¡Energy ¡Astrophysics ¡with ¡Noble ¡Liquids) ¡ Water tank Outer vessel Liquid Neon Inner vessel Photomultipliers 6/9/14 ¡ 6 ¡
Why ¡Liquid ¡Neon ¡for ¡low-‑energy ¡solar ¡neutrinos? ¡ • Unlike ¡Ar, ¡Kr, ¡and ¡Xe, ¡Neon ¡is ¡completely ¡free ¡of ¡long-‑lived ¡ radioac5ve ¡isotopes. ¡ • Neon ¡is ¡a ¡bright ¡scin5llator ¡ ¡ • Liquid ¡Neon ¡has ¡high ¡density ¡(1.2 ¡g/cm 3 ), ¡allowing ¡excellent ¡ self-‑shielding ¡against ¡gamma ¡ray ¡and ¡neutron ¡backgrounds. ¡ • In ¡fact, ¡CLEAN ¡was ¡the ¡first ¡proposed ¡self-‑shielding ¡noble ¡ liquid ¡detector ¡for ¡low-‑energy ¡rare ¡events, ¡an ¡approach ¡that ¡ in ¡recent ¡years ¡has ¡proven ¡very ¡effec5ve ¡in ¡direct ¡searches ¡for ¡ WIMP ¡dark ¡maaer ¡interac5ons. ¡ 6/9/14 ¡ 7 ¡
The ¡CLEAN ¡Technical ¡Approach ¡ The ¡CLEAN ¡detector ¡will ¡be ¡a ¡spherical ¡vessel ¡filled ¡with ¡~40 ¡tons ¡of ¡ • purified ¡LNe ¡at ¡a ¡temperature ¡of ¡27 ¡K. ¡ ¡ The ¡center ¡of ¡the ¡vessel ¡will ¡be ¡viewed ¡by ¡2000 ¡PMTs ¡immersed ¡in ¡the ¡ • liquid. ¡In ¡the ¡center ¡of ¡the ¡spherical ¡vessel ¡will ¡be ¡mounted ¡a ¡soccer-‑ ballshaped ¡array ¡of ¡acrylic ¡plates, ¡with ¡light ¡guides ¡connected ¡to ¡the ¡ PMTs. ¡ Tetraphenyl ¡butadiene ¡(TPB), ¡a ¡wavelength ¡shining ¡fluor, ¡will ¡be ¡ • evaporated ¡onto ¡the ¡inward-‑poin5ng ¡surface ¡of ¡each ¡plate. ¡Light ¡from ¡ each ¡wavelength ¡shiner ¡plate ¡will ¡be ¡transported ¡to ¡the ¡nearest ¡PMT ¡via ¡ an ¡acrylic ¡light ¡guide. ¡ Ionizing ¡radia5on ¡events ¡within ¡the ¡wavelength ¡shiner ¡plate ¡array ¡will ¡ • cause ¡scin5lla5on ¡in ¡the ¡vacuum ¡ultraviolet ¡(80 ¡nm), ¡which ¡is ¡shined ¡to ¡ 440 ¡nm ¡by ¡the ¡wavelength ¡shiner. ¡The ¡photon-‑to-‑photon ¡conversion ¡ efficiency ¡of ¡TPB ¡is ¡about ¡130% ¡for ¡LNe ¡scin5lla5on. ¡The ¡blue ¡light ¡will ¡ then ¡be ¡detected ¡by ¡the ¡PMTs. ¡ ¡ We ¡have ¡calculated ¡the ¡signal ¡yield ¡in ¡CLEAN ¡from ¡detailed ¡Monte ¡Carlo ¡ • studies ¡of ¡scin5lla5on ¡photon ¡propaga5on ¡and ¡detec5on, ¡and ¡es5mate ¡a ¡ signal ¡strength ¡about ¡5.6 ¡photoelectrons/keV ¡in ¡CLEAN. ¡ 6/9/14 ¡ 8 ¡
Projected ¡pp ¡neutrino ¡flux ¡uncertainty ¡for ¡a ¡ ¡ 200 ¡cm ¡radius ¡(40 ¡ton) ¡CLEAN ¡experiment ¡ With ¡a ¡pp ¡neutrino ¡flux ¡of ¡~6e10 ¡cm -‑2 s -‑1 , ¡you ¡get ¡about ¡1 ¡event/tonne/day. ¡So ¡you ¡don’t ¡ ¡ need ¡a ¡huge ¡detector ¡to ¡build ¡up ¡adequate ¡sta5s5cs. ¡ ¡ Above ¡analysis ¡assumes ¡a ¡radial ¡systema5c ¡uncertainty ¡of ¡0.5% ¡(2 ¡5mes ¡beaer ¡than ¡in ¡SNO), ¡ ¡ leading ¡to ¡a ¡volume ¡uncertainty ¡of ¡1.5%. ¡ ¡ Analysis ¡threshold: ¡35 ¡keV ¡ 6/9/14 ¡ 9 ¡
Solar ¡neutrino ¡signal ¡in ¡10-‑ton ¡fiducial ¡mass ¡ 6/9/14 ¡ 10 ¡
pp-‑solar ¡neutrino ¡flux ¡measurement ¡ with ¡a ¡300-‑cm ¡radius ¡CLEAN ¡detector ¡ (140 ¡tonnes ¡LNe) ¡ M. ¡G. ¡Boulay, ¡A. ¡Hime, ¡and ¡J. ¡Lidgard, ¡arXiv:0410025, ¡Nucl. ¡Phys. ¡B, ¡Proc. ¡Suppl. ¡143 ¡, ¡486 ¡(2005) ¡ 6/9/14 ¡ 11 ¡
Space ¡Requirements ¡ • A ¡40 ¡(140)-‑tonne ¡CLEAN ¡experiment ¡would ¡have ¡a ¡ liquid ¡neon ¡volume ¡about ¡4 ¡(6) ¡meters ¡in ¡diameter. ¡ ¡ • With ¡PMTs ¡immersed ¡in ¡the ¡LNe, ¡this ¡might ¡be ¡a ¡ cryostat ¡5 ¡(7) ¡meters ¡tall. ¡ ¡ • About ¡2 ¡meters ¡of ¡water ¡shielding ¡is ¡needed ¡to ¡bring ¡ the ¡gamma ¡ray ¡and ¡neutron ¡flux ¡down ¡to ¡PMT ¡levels. ¡ ¡ • So ¡a ¡40-‑140 ¡tonne ¡CLEAN ¡experiment ¡would ¡need ¡a ¡ ceiling ¡height ¡of ¡9-‑11 ¡meters. ¡ ¡ • Space ¡needed ¡for ¡purifica5on ¡and ¡cryogenic ¡systems, ¡ control ¡room ¡(200 ¡square ¡meters, ¡three-‑level ¡structure ¡ next ¡to ¡the ¡experiment). ¡ ¡ 6/9/14 ¡ 12 ¡
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