2023 年第 16 屆應用反微中子物理研討會紀要

核心概念

本次研討會重點關注反微中子偵測技術的最新進展及其在核安全保障、反應爐監測、地球物理學和天體物理學等領域的應用。

摘要

2023 年第 16 屆應用反微中子物理研討會紀要

研討會概述

本次研討會於 2023 年 9 月 18 日至 21 日在英國約克市政廳舉行，是 COVID-19 疫情後的首次研討會。會議為期三天，隨後參觀了 STFC Boulby 地下實驗室，並在擁有 14 世紀歷史的 Hospitium 舉辦晚宴。

首日重點

• John Learned 回顧了研討會系列的起源和發展，並強調了其作為反微中子應用討論主要平台的重要性。
• Sean Paling 代表 STFC Boulby 地下實驗室致歡迎詞，Chris Toth 概述了該實驗室及其目前正在進行的實驗。
• Steven Dazeley 探討了反微中子偵測技術的現狀和未來發展趨勢，包括新型閃爍材料、光子探測器和雙相 TPC 技術。
• Rachel Carr 回顧了反微中子應用的歷史，涵蓋了合作和非合作反應爐監測、乏燃料和後處理監測以及核爆炸監測等潛在應用。
• Leendert Hayen 回顧了反應爐反微中子譜建模的歷史，包括反應爐反微中子異常（RAA）和 5 MeV 反應爐峰的出現，以及為解決這些問題所做的努力。
• Patrick Huber 回顧了當前和研發中的反微中子核安全保障項目，重點介紹了弗吉尼亞理工學院團隊即將開展的工作。
• Andrew Conant 探討了國際原子能機構（IAEA）的保障和保障活動，以及反微中子與當前和未來活動的關係，特別是在先進反應爐類型中的潛在應用。
• Michael Foxe 介紹了「Nu Tools：探索反微中子在核能和安全中的實際作用」報告，該報告探討了反微中子探測器作為監測技術的潛在用途。
• Yan-Jie Schnellbach 探討了如何通過偵測乏核燃料中裂變碎片產生的反微中子來監測乏核燃料。
• Andrew Conant 展示了「小型模塊化反應爐反微中子監測靈敏度工具」的結果，該工具旨在評估反微中子偵測在先進反應爐保障中的作用。
• Caiser Bravo 介紹了「利用國家級概念建立基於反微中子的保障」的研究，該研究提出了一種方法，為國際原子能機構的保障活動提出具有合理靈敏度目標的潛在用例。
• Viacheslav Li 展示了「Gd 摻雜水切倫科夫反應爐反微中子 IBD 探測器的非擴散可擴展性」的研究結果，該研究探討了在不同反應爐反微中子背景環境下，實際監測範圍與探測器尺寸的關係。

第二天重點

• Steven Dazeley 介紹了一種基於反微中子的非侵入式全場反應爐監測概念，該概念旨在解決先進反應爐設計中液體燃料或不可計數的小型燃料元件的監測難題。
• Alex Goldsack 介紹了「SNIFR - 用於偵察的潛艇微中子識別」技術，該技術利用可擴展的微中子探測器技術，在某些情況下，可以在與被動聲納相當的範圍內探測潛艇。
• Tomi Akindele 介紹了 LLNL 團隊在水基液體閃爍體（WbLS）合成方面的最新進展，包括一種具有脈衝形狀鑑別功能的新型高濃度 WbLS 配方。
• Minfang Yeh 探討了類水 WbLS（1-10% LS）和類油 WbLS（>90% LS）的開發，以及在布魯克海文國家實驗室進行的噸級試驗台的進展情況。
• Jon Coleman 介紹了計劃在 STFC Boulby 地下實驗室的超低背景環境中建造的「BUTTON 技術試驗台」。
• Shoichi Hasegawa 介紹了日本研究反應爐中微中子監測實驗的現狀和計劃，包括開發一種使用塑料閃爍體的新型緊湊型反應爐微中子探測器。
• Sertac Ozturk 展示了「利用摻釓塑料閃爍體模塊監測核反應爐」的模擬設計和優化研究。
• Cristian Roca 介紹了一種用於噸級探測器應用的 6Li 摻雜脈衝形狀敏感塑料閃爍體，該閃爍體是移動反微中子演示器項目中正在開發的幾項技術之一。
• Caiser Bravo 介紹了「ROADSTR PSD 塑料原型探測器的性能」，該探測器由 Li-6 摻雜的脈衝形狀鑑別塑料閃爍體構成。
• Thiago Bezerra 介紹了一種用於反微中子探測的新型不透明閃爍體技術 LiquidO，該技術利用短散射長度材料實現不透明性，並通過波長轉移光纖收集和傳輸光線。
• Igor Jovanovic 介紹了「高能雙組分伽馬校準源的開發」，該校準源旨在校準用於反微中子探測的水基切倫科夫探測器。
• John Learned 介紹了一種用於定向 IBD 探測器的「管林」概念，該概念使用分離的自包含子單元（樹木），其中充滿液體閃爍體，並具有雙端 PMT 或 SiPM 讀出。
• Hans Steiger 介紹了「EoS - 利用混合探測器 THEIA 進行低能微中子物理學的探路者實驗」，該實驗旨在開發和測試用於混合切倫科夫/閃爍體探測器的新興技術。
• Patrick Huber 代表 PALEOCCENE 合作組織作了簡要更新，重點介紹了 CEvNS 探測作為反應爐監測的被動微中子探測的潛在應用。
• Virginia Strati 介紹了「地球微中子：來自難以接近的地球的信使」，該報告回顧了地球微中子探測的最新結果、預期結果以及未來的展望和挑戰。
• Bedrich Roskovec 的報告「來自反應爐數據的反應爐通量」指出，從總通量測量到同位素通量測量的歷史性轉變，反映了旨在提取有關微中子通量和能譜的複雜信息的實驗技術的重大進步。
• Christian Roca 在「來自反應爐數據的反應爐能譜」的報告中，重點介紹了 DoubleChooz、DayaBay、NEOS-II、RENO、STEREO 和 PROSPECT 進行的最新測量，以及 DayaBay、STEREO 和 PROSPECT 進行的聯合分析。
• Alejandro Sonzogni 探討了「在理解反應爐反微中子異常來源方面取得的進展」，回顧了 20 世紀 80 年代在勞厄-朗之萬研究所用於電子能譜歸一化的核數據，並得出結論：這些數據與目前推薦的值非常接近。
• Andrea Mattera 在「反微中子計算中的同質異能素裂變產額」的報告中，介紹了一項關於同質異能素產額比（IYR）如何影響採用求和法的反微中子通量預測的綜合研究。
• Paraskevi (Vivan) Dimitriou 總結了最近舉行的國際原子能機構關於反應爐反微中子及其應用核數據技術會議的情況，並展示了反應爐反微中子實驗、反微中子應用、通量和能譜建模、核數據以及數據保存和傳播方面的最新亮點。
• Lorenzo Perisse 提交了一份關於利用 NEνFAR 項目修改反應爐反微中子能譜求和計算的報告錄像。

第三天重點

• Andrew Petts 介紹了「先進氣冷堆反微中子排放建模」，描述了哈特爾普爾先進氣冷堆（AGR）的設計，並介紹了基於實際堆芯數據的反微中子排放模擬結果。
• Robert Mills 在「法國電力公司哈特爾普爾核電站的反微中子通量」的報告中，介紹了基於英國哈特爾普爾反應爐的運行數據和兩個堆芯中 2592 個組件的反應爐計算結果，對先進氣冷堆（AGR）堆芯反微中子排放進行的首次詳細模擬。
• Steve Dye 在「使用 reactors.geoneutrinos.org 估計微中子信號」的報告中，對 reactors.geoneutrinos.org 網站上提供的微中子信號估計工具進行了互動式介紹。
• Xianyi Zhang 介紹了「CONFLUX - 反應爐反微中子通量預測軟件」（github.com/CNFLUX/conflux），該軟件旨在為多個領域提供一個靈活的模塊化工具，用於預測反應爐反微中子通量。
• Sofia Andringa 介紹了「SNO+ 中的反微中子測量」的最新進展，回顧了过去的結果、目前的狀況和未來的前景。
• Lucas Machado 介紹了超級神岡釓探測器中反應爐微中子的現狀，介紹了 SK-Gd 中首次反應爐反微中子搜尋的結果和未來搜尋的前景。
• Thiago Bezerra 在「Double Chooz 實驗：反微中子應用探測的最新結果」的報告中，總結了 Double Chooz 實驗在應用反微中子探測方面的最新結果。
• Bryce Littlejohn 介紹了 PROSPECT 實驗的最新進展，重點介紹了該團隊在無覆蓋層反應爐反β衰變（IBD）實驗中實現信噪比超過 1 的重大里程碑。
• Yury Shitov 介紹了「DANSS 反應爐反微中子譜儀：2023 年的結果」，介紹了基於創紀錄統計數據（7 年來測量到的近 800 萬個反應爐反微中子）的結果。
• Keegan Walkup 介紹了「miniCHANDLER 和 CHANDLER 的現狀」，介紹了 CHANDLER 如何利用 3D 光學晶格技術有效識別反β衰變（IBD）。
• Carl Metelko 在「利用 VIDARR 測量核廢料中的反微中子」的報告中，介紹了 VIDARR（遠程輻射直接測定驗證儀），這是一種 2 噸重的塑料閃爍體探測器，摻雜了釓，旨在測量堆芯外安全距離處反應爐堆芯的反微中子通量。
• Nathaniel Bowden 介紹了「移動反微中子演示器（MAD）實驗」，該項目旨在創建一個移動探測系統，用於各種近場用例。
• Byeongsu Yang 介紹了「反應爐微中子和奇異粒子實驗的現狀」（RENE），該實驗主要目標是在 ∆m2 41 ∼ 2eV 2 處搜尋惰性微中子振盪。
• Jason Newby 在「橡樹嶺國家實驗室散裂中子源的 COHERENT 實驗」的報告中，介紹了 COHERENT 實驗最近在多個原子核上首次觀測到相干彈性微中子核散射（CEvNS）的情況。
• Christian Buck 介紹了「CONUS 實驗的最新結果」，該實驗利用鍺原子核研究相干彈性微中子核散射（CEvNS）。
• Mark Lewis 在「德累斯頓二號反應爐及其他反應爐的 CEvNS」的報告中，介紹了 NCC-1701 探測器在美國德累斯頓二號堆芯的成功經驗、其運行挑戰，以及即將在瑞典林哈爾斯核電站安裝的探測器的諸多改進。
• Han Steiger 介紹了 JUNO-TAO 實驗的最新進展，介紹了台山反微中子觀測站（TAO 或 JUNO-TAO）的設計，重點介紹了其新的探測技術。
• Pierre-Alexandr Petijean 在「JUNO 的地球微中子和超新星微中子前景」的報告中，介紹了江門地下微中子觀測站（JUNO）預計對地球微中子的靈敏度，以及 JUNO 探測不同超新星微中子通量的預期性能。

研討會總結

Nathaniel Bowden 在研討會結束時作了總結發言。

統計資料

研討會在擁有 14 世紀歷史的 Hospitium 舉辦晚宴。
Boulby 實驗室位於地下約 1 公里處，提供 4,000 平方米的低背景環境，氡含量特別低，約為 3 Bq/m3。
Boulby 實驗室距離 EDF Hartlepool 核電站約 26 公里。
ROADSTR 探測器由 36 根長 50 厘米的棒狀探測器組成，排列成 6×6 陣列，質量約為 60 公斤。
DANSS 項目分析了 7 年來的數據，記錄了近 800 萬個反應爐反微中子。
VIDARR 探測器是一個 2 噸重的塑料閃爍體探測器。
JUNO 探測器將由 20 千噸的液態閃爍體組成。

引述

「儘管反微中子探測不太可能取代傳統技術，但它可以作為傳統技術的補充，並且在先進反應爐類型中具有潛在的應用。」 - Andrew Conant
「不透明閃爍體 LiquidO 可以在不依賴地下設施的情況下，以高顯著性區分地表反應爐反微中子的信號和背景。」 - Thiago Bezerra
「國際合作正在建立一個全面的光譜數據庫，這將成為未來研究的基準。」 - Christian Roca

從以下內容提煉的關鍵洞見

Summary of the 16th Applied Antineutrino Physics Workshop 2023

by Liz Kneale, ... 於 arxiv.org 11-21-2024

https://arxiv.org/pdf/2411.13461.pdf

深入探究

反微中子探測技術的進步如何影響其他領域的研究，例如醫學成像或材料科學？

反微中子探測技術的進步，特別是在探測器靈敏度、分辨率和尺寸方面的提升，為醫學成像和材料科學等領域帶來了新的可能性。
醫學成像：

新型成像技術： 反微中子探測技術可以促進新型醫學成像技術的發展，例如利用反微中子來追踪體內放射性藥物的分佈和代謝情況，從而實現更精準的癌症診斷和治療。
實時監測： 高靈敏度的反微中子探測器可以實時監測體內生理過程，例如器官功能和藥物反應，為疾病的早期診斷和治療提供更豐富的信息。
材料科學：

無損檢測： 反微中子可以穿透物質，因此可以用於對大型結構件，例如橋樑、建築物和飛機進行無損檢測，及早發現潛在的缺陷和損壞。
材料分析： 反微中子與物質的相互作用可以提供有關材料成分、結構和性質的信息，有助於開發新型材料和改進現有材料的性能。
然而，將反微中子探測技術應用於醫學成像和材料科學領域仍面臨一些挑戰，例如需要開發更小、更便攜的探測器，以及降低探測成本等。

考慮到部署和維護成本等實際挑戰，反微中子探測技術如何才能在商業上可行地應用於核安全保障？

儘管反微中子探測技術在核安全保障方面具有巨大潛力，但要實現商業化應用，必須克服部署和維護成本等實際挑戰。以下是一些可能的解決方案：

標準化設計和模塊化生產： 通過標準化探測器設計和採用模塊化生產方式，可以降低製造成本，並簡化部署和維護流程。
開發低成本探測材料： 研究新型、低成本的探測材料，例如水基液體閃爍體，可以降低探測器的製造成本。
與現有技術整合： 將反微中子探測技術與現有的核安全保障技術相結合，例如傳統的監測方法和數據分析技術，可以提高整體效率和成本效益。
政府支持和政策鼓勵： 政府可以通過提供資金支持、制定優惠政策等方式，鼓勵企業投資反微中子探測技術的研發和商業化應用。
通過克服這些挑戰，反微中子探測技術將成為核安全保障領域不可或缺的一部分，為國際社會提供更可靠、更有效的核不擴散監測手段。

反微中子研究的進展如何促進我們對宇宙基本組成部分和物理學基本規律的理解？

反微中子研究的進展為我們打開了一扇了解宇宙基本組成部分和物理學基本規律的窗口。以下是一些例子：

微中子質量排序： 通過研究反應堆反微中子的振盪現象，例如JUNO實驗，我們可以確定微中子的質量排序，這對於理解宇宙中物質的起源和演化至關重要。
宇宙學和天體物理學： 反微中子探測可以幫助我們研究超新星爆發、地球內部結構和宇宙射線等天體物理現象，從而加深對宇宙演化和星體形成過程的理解。
粒子物理標準模型之外的新物理： 一些反微中子實驗，例如COHERENT實驗，致力於尋找超出粒子物理標準模型的新物理現象，例如惰性微中子和微中子電磁特性等。
總之，反微中子研究不僅有助於我們解答宇宙中的基本問題，也為探索新的物理學前沿提供了獨特的途徑。