Large-Scale Cryogenic Detectors, and Sensi5vity to Solar - - PowerPoint PPT Presentation

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 ¡

References ¡for ¡noble ¡liquid ¡solar ¡ neutrino ¡experiments ¡ ¡

CLEAN: ¡ ¡D. ¡N. ¡McKinsey ¡and ¡J. ¡M. ¡Doyle, ¡astro-­‑ph/9907314, ¡Journal ¡of ¡Low ¡Temperature ¡ ¡ ¡ ¡Physics ¡118, ¡153 ¡(2000). ¡ ¡K. ¡J. ¡Coakley ¡and ¡D. ¡N. ¡McKinsey, ¡arXiv:physics/0309033, ¡ ¡Nuclear ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡Instruments ¡and ¡Methods ¡A ¡522, ¡504 ¡(2003). ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡D. ¡N. ¡McKinsey ¡and ¡K. ¡J. ¡Coakley, ¡arXiv:astro-­‑ph/0402007, ¡Astropar5cle ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡Physics ¡22, ¡355 ¡(2005). ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡M. ¡G. ¡Boulay, ¡A. ¡Hime, ¡and ¡J. ¡Lidgard, ¡arXiv:0410025, ¡Nucl. ¡Phys. ¡B, ¡Proc. ¡Suppl. ¡143 ¡, ¡ ¡ ¡486 ¡(2005). ¡ ¡M. ¡K. ¡Harrison ¡et ¡al, ¡Nuclear ¡Instruments ¡and ¡Methods ¡A ¡570 ¡(2007) ¡pp. ¡556-­‑560 ¡ ¡W. ¡H. ¡Lippincoa, ¡Ph. ¡D. ¡thesis, ¡Yale ¡University ¡(2010); ¡ ¡ ¡ ¡hap://mckinseygroup.yale.edu/publica5ons ¡ ¡ XMASS: ¡Y. ¡Suzuki, ¡arXiv:hep-­‑ph/0008296. ¡ ¡ XAX: ¡K. ¡Arisaka ¡et ¡al, ¡arXiv:0808.3968, ¡Astropar5cle ¡Physics ¡31, ¡63 ¡(2009). ¡ ¡ DARWIN: ¡L. ¡Baudis ¡et ¡al, ¡arXiv: ¡1309.7024, ¡JCAP ¡01, ¡044 ¡(2014). ¡ ¡

6/9/14 ¡ 2 ¡

pp ¡and ¡7Be ¡Solar ¡Neutrino ¡ Measurements ¡in ¡LXe ¡

• Proposed ¡experiments: ¡XMASS ¡(single-­‑phase), ¡XAX, ¡

DARWIN, ¡XENON10T ¡(two-­‑phase) ¡ ¡

• Main ¡background ¡is ¡two-­‑neutrino ¡double ¡beta ¡decay ¡

from ¡136Xe ¡(T1/2=2.1e21 ¡years) ¡

• Requires ¡subtrac5on ¡of ¡this ¡background. ¡Can ¡also ¡

consider ¡using ¡136Xe-­‑depleted ¡LXe ¡(expensive, ¡though ¡ could ¡be ¡paired ¡with ¡a ¡dedicated, ¡separate ¡ ¡

¡ ¡ ¡ ¡ ¡136Xe-­‑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 ¡

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 ¡136Xe ¡double ¡beta ¡decay ¡events, ¡and ¡2825 ¡

85Kr ¡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 ¡136Xe-­‑depleted ¡LXe ¡instead? ¡

Solar ¡Neutrino ¡and ¡Background ¡Es5mates ¡in ¡DARWIN ¡(2-­‑30 ¡keV) ¡

6/9/14 ¡ 5 ¡

CLEAN ¡ ¡ (Cryogenic ¡Low ¡Energy ¡Astrophysics ¡with ¡Noble ¡Liquids) ¡

Photomultipliers Water tank Outer vessel Inner vessel Liquid Neon

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/cm3), ¡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 ¡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. ¡

The ¡CLEAN ¡Technical ¡Approach ¡

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-­‑2s-­‑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 ¡

Neon ¡purifica5on ¡

• Neon ¡has ¡lower ¡binding ¡energy ¡to ¡ac5vated ¡charcoal ¡than ¡all ¡other ¡contaminants ¡
• ther ¡than ¡Helium. ¡Binding ¡5me ¡(adsorp5on ¡coefficient) ¡is ¡exponen5ally ¡dependent ¡
• n ¡the ¡ra5o ¡of ¡this ¡binding ¡energy ¡over ¡temperature. ¡
• This ¡results ¡in ¡highly ¡effec5ve ¡purifica5on ¡using ¡charcoal ¡columns. ¡
• The ¡charcoal ¡will ¡remove ¡impuri5es ¡that ¡can ¡absorb ¡scin5lla5on ¡signal, ¡as ¡well ¡as ¡

muon ¡spalla5on ¡products ¡like ¡7Be, ¡3H, ¡and ¡14C. ¡

• With ¡proper ¡calibra5on, ¡the ¡charcoal ¡may ¡be ¡periodically ¡warmed ¡and ¡sampled, ¡to ¡

determine ¡the ¡level ¡of ¡impuri5es. ¡

• Studies ¡completed ¡on ¡gaseous ¡neon ¡purifica5on ¡(see ¡M. ¡K. ¡Harrison ¡et ¡al, ¡Nuclear ¡

Instruments ¡and ¡Methods ¡A ¡570, ¡556 ¡(2007).) ¡

• Studies ¡needed ¡on ¡liquid-­‑phase ¡purifica5on, ¡which ¡would ¡allow ¡lower ¡heat ¡load ¡on ¡

the ¡detector, ¡faster ¡circula5on. ¡

6/9/14 ¡ 13 ¡

Charcoal ¡column ¡adsorp5on ¡

6/9/14 ¡ 14 ¡

Adsorp5on ¡coefficients ¡in ¡gaseous ¡neon ¡

• M. ¡K. ¡Harrison ¡et ¡al, ¡Nuclear ¡Instruments ¡and ¡Methods ¡A ¡570, ¡556 ¡(2007). ¡

6/9/14 ¡ 15 ¡

Cryogenics ¡

• Though ¡the ¡CLEAN ¡approach ¡requires ¡a ¡cryogenic ¡apparatus ¡(the ¡boiling ¡

temperature ¡of ¡neon ¡is ¡27 ¡K), ¡this ¡would ¡not ¡make ¡the ¡experiment ¡overly ¡ complex ¡or ¡costly. ¡For ¡example, ¡a ¡commercial ¡Gifford-­‑McMahon ¡cooler ¡

• pera5ng ¡at ¡27 ¡K ¡with ¡a ¡cooling ¡power ¡of ¡75 ¡W ¡costs ¡only ¡$34,000. ¡With ¡a ¡

total ¡es5mated ¡heat ¡load ¡of ¡200 ¡W ¡in ¡the ¡full-­‑sized ¡CLEAN, ¡the ¡apparatus ¡ described ¡above ¡would ¡derive ¡liale ¡of ¡its ¡cost ¡from ¡its ¡cooling ¡

• requirements. ¡
• A ¡custom-­‑designed ¡refrigerator, ¡with ¡gaseous ¡neon ¡used ¡as ¡its ¡refrigerant, ¡

should ¡also ¡be ¡considered ¡for ¡higher ¡efficiency. ¡

• The ¡tank ¡could ¡be ¡supported ¡from ¡below ¡with ¡stainless ¡steel ¡or ¡5tanium ¡

tubes, ¡as ¡is ¡done ¡commonly ¡with ¡large ¡liquid ¡helium-­‑cooled ¡accelerator ¡

• magnets. ¡ ¡
• Such ¡a ¡large ¡cryogenic ¡detector ¡would ¡not ¡cons5tute ¡a ¡substan5ally ¡new ¡

technical ¡challenge; ¡for ¡example, ¡the ¡ICARUS ¡collabora5on ¡has ¡ successfully ¡built ¡and ¡tested ¡a ¡5me ¡projec5on ¡chamber ¡filled ¡with ¡600 ¡ metric ¡tons ¡of ¡liquid ¡argon ¡at ¡90 ¡K. ¡Also, ¡ICARUS ¡now ¡uses ¡photomul5plier ¡ tubes ¡immersed ¡in ¡liquid ¡argon, ¡the ¡same ¡basic ¡technology ¡to ¡be ¡used ¡in ¡

• CLEAN. ¡

6/9/14 ¡ 16 ¡

Neon ¡purchase ¡and ¡transport ¡

¡ The ¡cost ¡of ¡neon ¡was ¡last ¡determined ¡to ¡be ¡$90,000/ton ¡in ¡large ¡quan55es, ¡ more ¡than ¡an ¡order ¡of ¡magnitude ¡less ¡expensive ¡than ¡xenon. ¡Given ¡the ¡total ¡ cost ¡of ¡neon ¡(~$4M) ¡the ¡neon ¡purchase ¡itself ¡would ¡require ¡substan5al ¡ management ¡oversight. ¡Note, ¡however, ¡that ¡the ¡neon ¡could ¡be ¡sold ¡back ¡to ¡ the ¡market ¡at ¡the ¡end ¡of ¡the ¡experiment. ¡ ¡ ¡ Three ¡methods ¡may ¡be ¡considered ¡for ¡transpor5ng ¡the ¡neon ¡underground: ¡ ¡1. ¡Neon ¡could ¡be ¡brought ¡underground ¡as ¡a ¡liquid, ¡in ¡standard ¡storage ¡ ¡dewars. ¡This ¡would ¡allow ¡efficient ¡use ¡of ¡lin, ¡but ¡result ¡in ¡a ¡rela5vely ¡high ¡ ¡neon ¡cost. ¡ ¡2. ¡Neon ¡could ¡be ¡transported ¡in ¡high-­‑pressure ¡gas ¡cylinders. ¡This ¡would ¡ ¡result ¡in ¡a ¡somewhat ¡lower ¡neon ¡cost, ¡but ¡require ¡more ¡extensive ¡use ¡of ¡ ¡the ¡lin. ¡ ¡3. ¡Neon ¡could ¡be ¡carried ¡to ¡the ¡underground ¡laboratory ¡through ¡a ¡1-­‑inch ¡ ¡gas ¡line ¡connec5ng ¡the ¡surface ¡to ¡the ¡CLEAN ¡gas-­‑handling ¡system. ¡This ¡ ¡would ¡allow ¡the ¡neon ¡to ¡be ¡brought ¡to ¡the ¡lab ¡by ¡tanker ¡truck ¡and ¡would ¡ ¡avoid ¡the ¡use ¡of ¡the ¡lin, ¡but ¡would ¡require ¡the ¡gas ¡line ¡to ¡be ¡installed. ¡

6/9/14 ¡ 17 ¡

Safety ¡

• The ¡ac5ve ¡media ¡in ¡CLEAN ¡are ¡liquid ¡neon ¡and ¡water. ¡
• Neon ¡is ¡inert ¡and ¡poses ¡no ¡environmental ¡hazard. ¡However, ¡like ¡all ¡inert ¡gases, ¡it ¡is ¡

an ¡asphyxiant ¡and ¡can ¡be ¡dangerous ¡if ¡released ¡in ¡large ¡quan55es. ¡The ¡possibility ¡of ¡ unintended ¡cryogen ¡release ¡would ¡have ¡to ¡be ¡be ¡studied ¡very ¡carefully ¡prior ¡to ¡ approval ¡and ¡construc5on ¡of ¡CLEAN. ¡

• Below ¡are ¡listed ¡two ¡neon ¡release ¡scenarios ¡and ¡the ¡resul5ng ¡boiloff ¡rates: ¡

¡ ¡

–

• 1. ¡Failure ¡of ¡vacuum ¡insula5on ¡in ¡the ¡CLEAN ¡cryostat. ¡Assuming ¡a ¡cryostat ¡area ¡of ¡140 ¡m2, ¡a ¡gap ¡

between ¡77 ¡K ¡and ¡27 ¡K ¡of ¡2 ¡cm, ¡and ¡a ¡gaseous ¡neon ¡conduc5vity ¡of ¡2 ¡x ¡104 ¡W ¡cm−1 ¡K−1, ¡the ¡heat ¡ load ¡at ¡27 ¡K ¡is ¡7 ¡kW. ¡This ¡corresponds ¡to ¡a ¡gaseous ¡neon ¡boiloff ¡rate ¡of ¡5.4 ¡m3 ¡per ¡minute. ¡The ¡ gas ¡would ¡start ¡off ¡at ¡27 ¡K, ¡warming ¡as ¡it ¡rises ¡in ¡the ¡cavity. ¡This ¡boiloff, ¡unless ¡stopped, ¡would ¡ con5nue ¡for ¡460 ¡hours. ¡ –

• 2. ¡Severing ¡of ¡the ¡line ¡pumping ¡liquid ¡neon ¡to ¡the ¡CLEAN ¡purifica5on ¡system, ¡as ¡well ¡as ¡failure ¡of ¡

the ¡system ¡that ¡would ¡shut ¡off ¡flow. ¡For ¡a ¡liquid ¡neon ¡flow ¡rate ¡of ¡1 ¡kg/s, ¡a ¡boiloff ¡rate ¡of ¡67 ¡m3 ¡ per ¡minute ¡would ¡result. ¡

• The ¡dangers ¡posed ¡by ¡large ¡quan55es ¡of ¡cryogenic ¡liquids ¡have ¡been ¡well ¡studied, ¡

notably ¡at ¡CERN ¡and ¡other ¡accelerators ¡in ¡which ¡large ¡numbers ¡of ¡superconduc5ng ¡ magnets ¡are ¡connected ¡by ¡liquid ¡helium ¡jumpers. ¡In ¡the ¡CERN ¡safety ¡risk ¡analysis, ¡ the ¡most ¡disastrous ¡event ¡that ¡could ¡release ¡helium ¡from ¡the ¡LHC ¡is ¡a ¡”jumper ¡ connec5on ¡break”, ¡severing ¡the ¡connec5on ¡between ¡two ¡adjacent ¡superconduc5ng ¡

• magnets. ¡This ¡would ¡spill ¡28 ¡kg/s ¡of ¡liquid ¡helium, ¡giving ¡a ¡helium ¡boiloff ¡rate ¡of ¡

9400 ¡m3 ¡per ¡minute. ¡This ¡is ¡considerably ¡higher ¡than ¡the ¡volume ¡displacement ¡rate ¡ associated ¡with ¡either ¡neon ¡release ¡scenario ¡considered ¡above. ¡

• Also ¡note ¡that ¡CLEAN ¡is ¡small ¡in ¡comparison ¡to ¡the ¡ICARUS ¡and ¡LBNE ¡experiments, ¡

which ¡use ¡extremely ¡large ¡liquid ¡argon ¡detectors ¡underground. ¡

6/9/14 ¡ 18 ¡

Power ¡requirements ¡

• Electronics: ¡5 ¡kW. ¡
• Power ¡for ¡refrigerators: ¡50 ¡kW ¡once ¡cold, ¡300 ¡kW ¡while ¡neon ¡is ¡

being ¡liquefied ¡during ¡the ¡cooldown. ¡ ¡

• The ¡experiment ¡will ¡require ¡10 ¡kW ¡of ¡emergency ¡power ¡to ¡

maintain ¡the ¡neon ¡temperature ¡in ¡the ¡case ¡of ¡a ¡power ¡

• interrupt. ¡(The ¡main ¡heat ¡load ¡on ¡the ¡liquid ¡neon ¡will ¡come ¡

from ¡liquid ¡neon ¡circula5on, ¡which ¡would ¡cease ¡in ¡this ¡event.) ¡

6/9/14 ¡ 19 ¡

Summary ¡

• For ¡pp-­‑neutrino ¡detec5on ¡via ¡electron ¡scaaering, ¡LNe ¡is ¡s5ll ¡the ¡

way ¡to ¡go. ¡ ¡

• No ¡show-­‑stoppers; ¡LNe ¡scin5lla5on ¡is ¡a ¡robust ¡signal, ¡and ¡Ne ¡has ¡

the ¡crucial ¡advantages ¡of ¡no ¡long-­‑lived ¡isotopes ¡and ¡easy ¡ purifica5on, ¡while ¡being ¡dense ¡enough ¡to ¡provide ¡good ¡self-­‑

• shielding. ¡
• CLEAN ¡could ¡certainly ¡be ¡built ¡at ¡JinPing; ¡detector ¡size ¡matches ¡

the ¡hall ¡size, ¡and ¡there ¡is ¡plenty ¡of ¡depth. ¡

• This ¡is ¡a ¡unique ¡experiment, ¡and ¡an ¡excellent ¡opportunity. ¡

6/9/14 ¡ 20 ¡