RENO ß e È û s ÚM 8 ý ß e È û s Ú Çù o Ú ¤X N Ë ì Å

(1)

RENO ß e È û s ÚM 8 ý ß e È û s Ú Çù o Ú ¤X N Ë ì Å

,

>

ç ¡ ò 6 B

Ä

ºÅ Ò èw n ½ ¨ è, z @ / < Æ § Ó ü t o < Æõ , F g Å Ò 500-757

ç

¡U û B

GIST @ / < Æ, F g Å Òõ < Æl Õ ü t" é ¶, F g Å Ò 500-712

(2012¸ 7 Z 4 10{ 9 ~ Ã Î6 £ §, 2012¸ 7 Z 4 30{ 9 Ã º& ñ : r ~ Ã Î6 £ §, 2012¸ 8 Z 4 30{ 9 > F S X & ñ )

×

æ$ í p 1 l x ¨ 8 © Ã º θ

¹³

8 £ ¤& ñ ` ¦ 0 Aô Ç ² D G ? / " é ¶ × æ$ í p z ´+ « > RENO 2011¸ 8 Z 4Â Ò' X <

s

' S \ 1 p q` ¦ r % i . % ò F g " é ¶ Ü ¼ ÐÂ Ò' î r o \ 0 Au ô Ç H o Ø ¦ l ü < o \ 0 Au ô

Ç " é ¶ o Ø ¦ l \ " f × æ$ í p _ f ` ¦ ' a8 £ ¤ < ÊÜ ¼ Ð+ θ

¹³

\ ¦ 8 £ ¤& ñ ½ + É Ã º e H X <, s M : y Ø ¦ l

\

" f " é ¶ × æ$ í p _ Ø ¦ ´ òÖ ¦ É r × æ כ ¹ô Ç © Ã º Ð 6 x ) a . : r 7 Hë H \ " f H 7 H _ \ ¦ Ð\ ¦ s 6 x # RENO Ø ¦ l _ Ø ¦ ´ òÖ ¦ õ Õ ª\ @ /ô Ç ¸ \ ¦ > í ß K Ð ¤ .

Ù þ

d # Q: RENO, Ø ¦ ´ òÖ ¦, × æ$ í p D ¥ ½ + Ë y , " é ¶ Ð × æ$ í p

Study on the Measurement of the Detection Efficiency at the RENO Detector

Chang-Dong Shin

Institute for the Universe & Elementary Particles,

Department of Physics, Chonnam National University, Gwangju 500-757

Jee-Seung Jang ^∗

GIST College, Gwangju Institute of Science and Technology, Gwangju 500-712 (Received 10 July 2012 : revised 30 July 2012 : accepted 30 August 2012)

RENO, which is a domestic reactor neutrino experiment to measure the neutrino mixing angle θ

13

, has been recording data since August 2011. θ

13

is measured by observing at the near and the far detectors the disappearance of neutrinos from the reactor. For those measurements, the detection efficiency of the reactor neutrino at each detector is an important value. In this research, we measured the detection efficiency at RENO and calculated the systematic uncertainties.

PACS numbers: 13.15.+g, 14.60.Pq

Keywords: RENO, Detection efficiency, Neutrino mixing angle, Reactor neutrino

∗

E-mail: [email protected]

-979-

(2)

I. " e Â ] Ø

RENO(Reactor Experiment for Neutrino Oscillation) z

´+ « > É r l : r{ 9 × æ _ ì ø Í × æ$ í p \ ¦ Ø ¦

# × æ$ í p 1 l x ¨ 8 © Ã º θ

13

\ ¦ 8 £ ¤& ñ H z ´+ « >s [1–3]. × æ$ í p 1 l x S X ` ¦ 0 AK " f RENO H % ò F g " é ¶

§

4 µ 1 Ï è_ " é ¶ Ð\ " f Ù þ ì r\ P õ & ñ \ _ K Ò q t$ í ÷ & H ì

ø Í × æ$ í p _ s 1 l x o \ É r f ` ¦ ' a8 £ ¤ ô Ç

[4]. " é ¶ Ð\ " f Ò q t$ í ) a × æ$ í p H H o ü < " é ¶ o

\

0 Au ô Ç 1 l x{ 9 ô Ç Ø ¦ l \ " f % i Z Ô æ õ (IBD, Inverse Beta Decay) õ & ñ ` ¦ : x K Ø ¦ ÷ & 9, Ø ¦ ) a × æ$ í p _

>

hÃ ºü < \ -t H θ

13

8 £ ¤& ñ \ f ] X ' a > ) a . s õ & ñ \

"

f y Ø ¦ l _ Ø ¦ ´ òÖ ¦ õ Õ ª ¸ H × æ כ ¹ô Ç © Ã º Ð 6

x ) a [1,2].

: r 7 Hë H \ " f H RENO Ø ¦ l \ " f " é ¶ Ð × æ$ í p s

$

à Ô_ Ø ¦ ´ òÖ ¦` ¦ 7 H _ \ ¦ Ð\ ¦ : x K S X ¦, Ø ¦ ´ ò Ö

¦ _ 8 £ ¤& ñ \ ¸ \ ¦ × ¦ Ã º e H כ ¹ [ þ t õ Õ ª ¸ # 3 0 A

\

¦ ¶ ú ( R Ð ¤ .

II. Ã X Ø? _ õ u §z ºõ u § T Ó Þ X ¢ ß e È û s Ú Çù o Ú ¤X N Ë

1. RENO ß e È û s ÚM

% ò

F g " é ¶ § 4 µ 1 Ï è H þ j@ / 2.66 ∼ 2.8 GW

^th

_ \ P Ø ¦

§ 4 ` ¦ ° ú H 6 > h_ " é ¶ Ð _ 1 l x{ 9 ô Ç ç ß Ü ¼ Ð { 9 § > = Ð Z

þ

t # Q" f e Ü ¼ 9, RENO H 6 > h " é ¶ Ð × æd Ü ¼ ÐÂ Ò' y y 294 ü < 1383_ o \ 0 Au ô Ç H ·" é ¶ o Ø ¦ l \ " f " é ¶

Ð × æ$ í p \ ¦ Ø ¦ ô Ç . Ø ¦ l [ þ t É r í ß õ Z } É r ü x 9

\

' V , ` ¦ Ý ü ¦ [ O u H d Ü ¼ Ð+ Ä ºÅ Ò Ü ¼ Ð ô Ç Ñ þ Õ ª î

r × ¼\ ¦ ´ òÖ ¦& h Ü ¼ Ð é ß ¦ e . Ø ¦ l ? /Â Ò H Fig.

1 õ ° ú s target, γ-catcher, buffer, veto Ð ½ ¨$ í ÷ &# Q e

[2]. Õ ªo ¦ y y _ % ò % i \ ´ òÖ ¦& h × æ$ í p _ Ø ¦

`

¦ 0 A # Gadolinium (Gd) loaded Liquid Scintillators, Liquid Scintillators, Mineral Oil Õ ªo ¦ Water G 0 >

4 R e . ¢ ¸ô Ç Ø ¦ l ? /Â Ò_ Ó ü t| 9 õ ì ø Í6 £ x ô Ç × æ$ í p

\

¦ Ø ¦ l 0 AK Ø ¦ l ? /Â Ò\ 354> h_ PMT (Photo Multiplier Tube) ü < Ä ºÅ Ò Á » : r (cosmic ray muon) õ ° ú

É

r Ñ þ Õ ª î r × ¼\ ¦ ' a8 £ ¤ l 0 AK ü @Â Ò\ 67> h_ PMT, 8 ú x 421 > h_ PMT [ O u ÷ &# Qe .

2. RENO Ã X Ø? _ õ u §z º

7 H _ \ ¦ Ð r Ó ý t Y Us É r { 9 Ó ü t o z ´+ « >ì r$ 3 \ " f Ø

¦ l _ # Q t Ã º[ þ t` ¦ n H X < e # Q" f Ä »6 x

Fig. 1. (Color online) A schematic view of RENO detec- tor.

ô

Ç ½ ¨ ~ ½ ÓZ O s . ¢ ¸ô Ç r Ó ý t Y Us ½ ¨ ÐÂ Ò' > : x ¸

(systematic uncertainty)\ ¦ Æ Ò& ñ ½ + É Ã º e . s \

"

f / å L ÷ & H ¸ H > : x ¸ \ ¦ _ p ô Ç .

RENO ü < ° ú É r " é ¶ × æ$ í p z ´+ « >\ " f × æ כ ¹ô Ç ì ø Í6 £ x

É

r × æ$ í p ü < Ø ¦ l ? /_ { 9 s \ " f { 9 # Q H % i Z

Ô æ õ s .

ν

e

+ p → n + e

⁺

(1)

RENO 7 H _ \ ¦ Ð r Ó ý t Y Us É r ß ¼> ¿ º é ß > Ð s À

Ò# Q . $ H d (1)_ % i Z Ô æ õ õ & ñ Ü ¼ Ð µ 1 ÏÒ q t

÷

& H ª ü < × æ$ í _ î r1 l x | ¾ Ó` ¦ 7 ' Ð Ò q t$ í ô Ç . 7 H _

\ ¦ Ð\ ¦ : x K " é ¶ Ð × æ$ í p _ \ -t \ @ /ô Ç í ß ê

ø Íé ß & h ` ¦ S X ½ + É Ã º e H X <, Vogelõ Beacom_ õ

\

¦ s 6 x % ò F g " é ¶ _ × æ$ í p e ¦! 3 Û ¼ ÐÂ Ò' 8 ú x í ß ê

ø Íé ß & h ` ¦ > í ß ½ + É Ã º e [5]. 6 £ § É r s X O > Ò q t$ í ) a

ª ü < × æ$ í RENO Ø ¦ l \ " f # Q " ì ø Í6 £ x` ¦ Ð { 9

t \ ¦ r Ó ý t Y Us ô Ç . s ü < ° ú É r Ø ¦ l r Ó ý t Y Us

É r GEANT4\ ¦ l ì ø ÍÜ ¼ Ð ô Ç á Ô ÐÕ ªÏ þ GLG4SIMÜ ¼ Ð [ O

> ÷ &% 3 [6]. GLG4SIM\ " f H Ø ¦ l ? /_ Ó o^ $ 3 F g Ó

ü t| 9 Ð Â Ò' _ { 9 [ þ t _ ì ø Í6 £ x x 9 PMT_ ½ ¨ ¸ü < [ O u \ ¦

½

¨ & ³ô Ç á Ô ÐÕ ªÏ þ s . s Qô Ç õ & ñ É r X <s ' Ã º| 9 ` ¦ 0 A ô

Ç ´ òõ & h Ø ¦ l ] j \ ¸¹ ¡ §` ¦ ï r . ¢ ¸ô Ç RENO z ´ +

«

> \ z ´] j Ø ¦ l _ 1/15 ß ¼l _ » ¡ ¤ è+ þ A Ø ¦ l \ ¦ ] j

# ª ô Ç Ö qo Ú ÔY Us èÛ ¼ Ð z ´+ « >` ¦ % i ¦, 7 H _

\ ¦ Ð r Ó ý t Y Us õ _ 1 l x{ 9 ô Ç õ \ ¦ % 3 % 3 [7].

(3)

Fig. 2. (Color online) Inverse Beta Decay.

3. ß e È û s Ú Çù o Ú ¤X N Ë

RENO H 50 s ? /\ 90> h s © _ PMT hits > r F ½ + É M :

\

¦ { 9 ì ø Í6 £ x \ _ ô Ç s $ à Ô Ð ç ß Å Ò 9, H o ü < " é ¶ o

Ø ¦ l H 300 Hz ü < 100 Hz_ s $ à Ô Ö ¦ (event rate)` ¦

° ú

H . S \ 1 p q ) a X <s ' × æ \ " f " é ¶ Ð × æ$ í p \ _ ô Ç s

$ à Ô H H o ü < " é ¶ o \ " f À Ò\ 800 > hü < 80

>

h Ð Æ Ò& ñ ÷ & 9, Õ ª > hÃ º H 6 > h_ " é ¶ Ð\ " f \ V © ÷ & H

×

æ$ í p _ > hÃ ºü < © { © y { 9 u ô Ç [2]. " é ¶ Ð × æ$ í p

\ ¦ Ø ¦ H RENO Ø ¦ l _ Ø ¦ ´ òÖ ¦ É r X <s ' S \ 1

p

q ~ ½ Ód \ " fÂ Ò' × æ$ í p Ê ê Ð\ ¦ × þ H l ï r` ¦ 7 H _

\ ¦ Ð\ & h 6 x K 4 § Ü ¼ Ð+ S X ½ + É Ã º e .

1) RENO DAQ (Data Acquisition)

RENO H 1 l x â @ / Ä ºÅ Ò ½ ¨ è_ Ã º( - p ¸ñ ß X <\

"

f > hµ 1 Ï, ] j ) a QBEE\ ¦ X <s ' S \ 1 p q © q Ð 6 x ¦ e

[8,9]. QBEE H 400 _ ñ ¾ º& h r ç ß õ Õ ª Ê ê 560 _

% o r ç ß ` ¦ ° ú H . ¾ º& h r ç ß 1 l x î ß [ þ t # Q : r ¸ H ñ

H ô Ç > h_ ñ Ð ç ß Å Ò÷ & 9 % o r ç ß 1 l x î ß µ 1 ÏÒ q tô Ç ñ

H é ß ÷ & H כ s . 7 H _ \ ¦ Ð\ s ü < ° ú É r DAQ ~ ½ Ód

`

¦ & h 6 x % i .

2) RENO X <s '

(1) ª ñü < × æ$ í ñ_ ½ ¨ì r

"

é

¶ Ð × æ$ í p H RENO Ø ¦ l \ " f Fig. 2ü < ° ú s

ª Ð ô Ç 1 ∼ 8 MeV_ ñü < × æ$ í Ð ô Ç 8 MeV _ ñ Ð Ø ¦ ) a . s M : × æ$ í Ø ¦ l ? / { 9

\

í S \ H d \ ¿ º ñ µ 1 ÏÒ q t÷ & H r ç ß \ s e

#

Q, " é ¶ Ð × æ$ í p z ´+ « >\ " f H ª Ð ô Ç ñ\ ¦ prompt signal, × æ$ í Ð ô Ç ñ\ ¦ delayed signal Ð

Fig. 3. (Color online) Time distribution of PMT hits for prompt (up) and delayed (down) signal. Y -axis is number of hits.

&

ñ _ ¦ e . Fig. 3 É r 7 H _ \ ¦ Ð r Ó ý t Y Us ` ¦ : x K

ª ü < × æ$ í Ð ô Ç ñ_ r ç ß ì r í\ ¦ y y S X K

: r כ s . ª ñ H @ /Â Òì r 700 s ? /\ > r F

H כ ` ¦ S X ½ + É Ã º e # Q" f, : r ½ ¨\ " f H 700 \ ¦ l ï r Ü

¼ Ð prompt signal õ delayed signal` ¦ ½ ¨ì r % i . Fig.

3 _ ¿ º P : Õ ªa Ë >\ " f S X ½ + É Ã º e H כ % ! 3 700 î ß \

×

æ$ í Ð ô Ç ñ e t ë ß ª ñ Ð ¸ | ¨ c Ã º e

H 1 ∼ 8 MeV \ -t _ ñ H × æ$ í Ð ô Ç ñ

×

æ 0.1% s \ Ô ¦ ô Ç כ Ü ¼ Ð S X ÷ &# Q ñ µ 1 ÏÒ q t r ç ß

`

¦ l ï r Ü ¼ Ð Promptü < delayed signal` ¦ ½ ¨ì r % i .

(2) Multiplicity

RENO \ " f H Ø ¦ l : £ ¤$ í ` ¦ ¦ 9 # , 50 s ? /\ 90 > h s © _ PMT hits > r F ½ + É M :\ ¦ { 9 ì ø Í6 £ x \ _ ô Ç s

$ à Ô Ð ç ß Å Òô Ç . : x © & h Ü ¼ Ð s õ & ñ ` ¦ multiplicity

¦ ô Ç .

3) " é ¶ Ð × æ$ í p s $ à Ô

(1) 170 photoelectrons (energy threshold) s © _ s $ à

Ô

(2) 0.7 MeV < E < 12 MeV _ prompt signal

(3) × æ$ í hydrogens target % ò % i _ gadolin- ium (Gd) \ í S \ ) a â Ä º

(4) 6 MeV < E < 12 MeV _ delayed signal

(4)

Fig. 4. (Color online) Energy spectra of neutron cap- tured by Hydrogen (unfilled) and Gd (hatched). Gd cap- ture ratio is 85.5%.

Fig. 5. (Color online) 2-dimension plot for energy before (unfilled box) and after (colored box) applying the cuts.

The horizontal axis is the energy of prompt signal and the vertical axis is the energy of delayed signal.

(5) Prompt ü < delayed signal_ µ 1 ÏÒ q t r ç ß s 2 µsec < ∆T < 100 µsec\ ¦ ë ß 7 á ¤ H â Ä º - µ 1 ÏÒ q t r ç ß _

1 l x l o

(6) " é ¶ Ð × æ$ í p γ-catcher % ò % i \ " f Ù þ ü < ì ø Í 6

£

x ô Ç Ê ê, × æ$ í target % ò % i _ Gd\ í S \ ) a â Ä º - spill in event

RENO X <s ' \ " f s © _ 6t ¸| ` ¦ ¸¿ º ë ß 7 á ¤

H s $ à Ô\ ¦ " é ¶ Ð × æ$ í p _ þ j7 á x Ê ê Ð[ þ t Ð ç ß Å Ò 9 θ

13

_ 8 £ ¤& ñ \ 6 x ô Ç . 8Ô ¦ # Q, · ú ¡" f l Õ ü t ) a RENO DAQ ü < multiplicity & h 6 x ÷ & ¦, s © _ 1 l x{ 9 ô Ç ¸| [ þ t

`

¦ ë ß 7 á ¤ H 7 H _ \ ¦ Ð\ ¦ Ø ¦ l \ " f ' a8 £ ¤ ) a " é ¶ Ð × æ

$ í

p ü < f ] X q § < ÊÜ ¼ Ð+ θ

13

\ ¦ > í ß ½ + É Ã º e [2].

#

l \ " f þ j7 á x Z > ) a 7 H _ \ ¦ Ð_ q Ö ¦ s RENO Ø

¦ l _ Ø ¦ ´ òÖ ¦ s ½ + É Ã º e x . Fig. 4 H 3) \ " f /

å

L ô Ç Gd\ í S \ ÷ & H q Ö ¦` ¦ S X K : r כ s 9, Ø ¦ l

Table 1. Detection efficiency.

Condition Efficiency(%) RENO DAQ

ε

p

Analysis threshold cut 99.8 Energy cut for prompt event

P

G

Gd capture ratio 85.5

ε

E

Energy cut for delayed event 95.2

ε

T

Capture time cut 92.1

ε

S

Spill in 102.2

ε Combined (total) 76.5

Table 2. Systematic uncertainty in detection efficiency by correlated error and un-correlated error.

Correlated error (%) Uncertainty Neutron capture cross section Gd capture ratio 0.7%

Energy scale Delayed energy cut 0.5%

Gd concentration Time coincidence cut 0.5%

Thickness of Acrylic Spill in 1.0%

Combined (total) 1.4%

Un-correlated error Uncertainty Difference of Gd concentration Gd capture ratio 0.1%

Difference of energy scale Delayed energy cut 0.1%

Difference of Gd concentration Time coincidence cut 0.01%

Difference of thickness of Acrylic Spill in 0.03%

Combined (total) 0.1%

_

Gd 0 l x ¸ o\ É r í S \ q Ö ¦` ¦ S X < ÊÜ ¼ Ð+ Ø

¦ ´ òÖ ¦ \ Gd 0 l x ¸ Å Ò H ¸ ¸ > í ß K ^ ¦ Ã º e . Õ ª

õ H Table 2 \ & ñ o % i . Fig. 5 H Ø ¦ l \ " f ' a8 £ ¤

)

a " é ¶ Ð × æ$ í p s $ à Ôü < f ] X q § 0 p x ô Ç þ j7 á x 7 H _

\ ¦ Ð (Fig. 5_ colored box)_ \ -t ì r í\ ¦ Ð# Å

Ò ¦ e . 1 ∼ 8 MeV_ prompt signalõ 8 MeV

\

| 9 × æ ) a delayed signal _ \ -t ì r í\ ¦ S X ½ + É Ã º e

.

4. + s Ç Ê Ý

Ø ¦ ´ òÖ ¦ _ 8 £ ¤& ñ ` ¦ 0 AK 10,000> h_ " é ¶ Ð × æ$ í p

\

¦ 7 H _ \ ¦ Ð r Ó ý t Y Us # Ø ¦ ´ òÖ ¦` ¦ S X K Ð ¤

. RENO DAQ, energy threshold Õ ªo ¦ prompt sig- nal _ energy\ ¦ ë ß 7 á ¤ H s $ à Ô H 99.8% (ε

p

), Gd \ í S \

) a × æ$ í _ q Ö ¦ É r 85.5% (P

Gd

), delayed signal _ en- ergy\ ¦ ë ß 7 á ¤ H s $ à Ô H 95.2% (ε

E

), 1 l x l o ) a r ç ß ` ¦ ë

ß 7 á ¤ H s $ à Ô H 92.1% (ε

T

), spill in event H 102.2%

(5)

(ε

S

) Ð 8 £ ¤& ñ ÷ &% 3 ¦, þ j7 á x Ø ¦ ´ òÖ ¦(ε) É r d (2)ü < ° ú s > í

ε = ε

_p

P

_Gd

ε

_E

ε

_T

ε

_S

(2)

¢

¸ô Ç, Ø ¦ ´ òÖ ¦ _ 8 £ ¤& ñ \ ¸ \ ¦ × ¦ Ã º e H Å Òכ ¹ô Ç כ ¹

õ Õ ª Ð ô Ç ¸ \ ¦ Table 2 \ correlated errorü < un- correlated error Ð ì r À Ó # & ñ o % i . Correlated er- ror H RENO _ H ·" é ¶ o Ø ¦ l \ 1 l x{ 9 > > r F ½ + É Ã º e

H > 8 £ ¤ ¸ \ ¦ _ p ¦, un-correlated error H ¿ º Ø

¦ l _ s ÐÂ Ò' ¸ H > 8 £ ¤ ¸ \ ¦ _ p ô Ç .

· ú

¡" f / å L ô Ç כ % ! 3 Ø ¦ l r Ó ý t Y Us ` ¦ : x K × æ$ í

Gd\ í S \ ÷ & H q Ö ¦ É r 85.5% כ Ü ¼ Ð S X ÷ &% 3

. 7 H _ \ ¦ Ð\ " f × æ$ í _ capture cross section É r Õ ª

"

é

¶ o Ø ¦ l H í S \ q Ö ¦ \ @ /ô Ç 1 l x{ 9 ô Ç ¸ \ ¦ ° ú >

)

a . ¢ ¸ô Ç target % ò % i \ 0 l q e H Gd _ ª É r H ·" é ¶ o

Ø ¦ l \ " f ] j ¸ü < 8 £ ¤& ñ õ & ñ × æ \ " f Ð É r ° ú כ` ¦

| 9 Ã º e ¦, Gd\ í S \ ÷ & H q Ö ¦ s H ·" é ¶ o Ø ¦ l

\

" f " f Ð \ ¦ Ã º e H un-correlated error _ כ ¹ s ) a

. Gd 0 l x ¸ H × æ$ í Ø ¦ l ? /\ " f í S \ ÷ & H r ç ß õ

¸ ' aº ÷ &# Q ª ü < × æ$ í _ 1 l x l o ) a r ç ß Ü ¼ Ð Z >

) a × æ$ í p s $ à Ô_ > hÃ º\ ¸ ¸ \ ¦ × ¦ Ã º e .

PMT ü < DAQ_ $ í 0 p x Õ ªo ¦ Ø ¦ l ? /\ " f F g _ y

W o (attenuation length) Ð ô Ç energy scale_ ¸

H energy cut` ¦ : x K Z > ) a " é ¶ Ð × æ$ í p s $ à Ô_

>

hÃ º\ f ] X & h Ü ¼ Ð % ò ¾ Ó` ¦ º ¡ § Ü ¼ Ð+ Ø ¦ ´ òÖ ¦ \ ¸ \ ¦ Å

Ò H כ ¹ × æ ¦ ½ + É Ã º e x . " é ¶ Ð × æ$ í p

target % ò % i s γ-catcher % ò % i \ " f Ù þ ü < ì ø Í6 £ x

#

Ò q t$ í ) a × æ$ í target % ò % i _ Gd\ í S \ ÷ & H & ñ ¸

H target` ¦ s À Ò H Acrylic _ ¿ ºa \ Ø Ô> ÷ & 9, s

% i r Ø ¦ ´ òÖ ¦ _ ¸ כ ¹ s ) a . Energy threshold cut õ prompt ñ_ energy cutÜ ¼ Ð ô Ç Ø ¦ ´ òÖ ¦ É r

_ ¸ \ ¦ ° ú t · ú § ¤ .

III. + s Ç Â ] Ø

RENO Ø ¦ l _ Ø ¦ ´ òÖ ¦` ¦ 7 H _ \ ¦ Ð r Ó ý t Y Us

`

¦ s 6 x K 8 £ ¤& ñ % i . RENO Ø ¦ l H 76.5% _ ´ òÖ ¦

Ð % ò F g " é ¶ Ð\ " f µ 1 ÏÒ q t÷ & H × æ$ í p \ ¦ Ø ¦ ¦ e Ü

¼ 9, 8 £ ¤& ñ ) a Ø ¦ ´ òÖ ¦ É r 1.4% _ ¸ \ ¦ í < Êô Ç . ¢ ¸ô Ç,

H ·" é ¶ o Ø ¦ l _ Ø ¦ ´ òÖ ¦ É r 0.1% # 3 0 A ? /\ " f 1 l x{ 9 ô

Ç כ Ü ¼ Ð S X ÷ &% 3 .

P

c p 8 ý ò k >

s

7 Hë H É r 2009¸ & ñ Â Ò( §¹ ¢ ¤ õ < Æl Õ ü t Â Ò)_ F " é ¶ Ü ¼ Ð ô

Ç² D G ½ ¨F é ß _ t " é ¶` ¦ ~ Ã Î Ã º' ) a ½ ¨e (NRF-2009- C00046, 20120001176).

Y

c p w Ã U Ø ô

[1] J. K. Ahn et al., (RENO Collaboration), Phys. Rev.

Lett. 108, 191802 (2012).

[2] J. K. Ahn, et al., (RENO Collaboration), arXiv:hep- ex/1003.1391 (2010).

[3] B. Pontecorvo, Zh. Eksp. Theo. Fiz 34, 247 (1957).

[4] K. Eguchi et al. (KamLAND Collabora-ration), Phys.

Rev. Lett. 90, 021802 (2003).

[5] P. Vogel, J. F. Beacom, Phys. Rev. D 60, 053003 (1999).

[6] CERN Program Library Long Writeup W5013 (1993).

[7] S. H. Song, et al., Sae Mulli 59, 124 (2009).

[8] The Super-Kamiokande Collaboration, Nucl. In- strum. Meth. A 501, 418 (2003).

[9] S. Yamada et al., IEEE Trans. Nucl. Sci. 57, 428

(2010).

RENO ß e È û s ÚM 8 ý ß e È û s Ú Çù o Ú  ¤X N Ë  ì Å 

RENO ß e È û s ÚM 8 ý ß e È û s Ú Çù o Ú  ¤X N Ë  ì Å 

,

>

 ç ¡ ò 6 B

Ä

ºÅ Ò èw n     ½ ¨ è,   z  @ / < Æ § Ó ü t o  < Æõ , F g Å Ò 500-757

 ç

¡U  û B

GIST @ / < Æ, F g Å Òõ  < Æl Õ ü t" é ¶, F g Å Ò 500-712

(2012¸  7 Z 4 10{ 9  ~ Ã Î6 £ §, 2012¸  7 Z 4 30{ 9  Ã º& ñ  : r ~ Ã Î6 £ §, 2012¸  8 Z 4 30{ 9  > F  S X & ñ )

× 

æ$ í p     1 l x   ¨ 8   © Ã º θ

8 £ ¤& ñ `  ¦ 0 Aô  Ç ² D G ? / " é ¶  ×  æ$ í p   z ´+ « > RENO 2011¸  8 Z 4Â Ò'  X <

s

'  S \ 1 p q`  ¦ r    % i  . % ò F g " é ¶  Ü ¼ ÐÂ Ò'   î  r  o \  0 Au ô  Ç   H  o    Ø  ¦ l ü <    o \  0 Au  ô

 Ç " é ¶  o    Ø  ¦ l \ " f ×  æ$ í p  _    f  `  ¦  ' a8 £ ¤  < ÊÜ ¼ Ð+  θ

\  ¦ 8 £ ¤& ñ ½ + É Ã º e    H X <, s  M : y     Ø  ¦ l 

\

Ù þ

d  # Q: RENO,   Ø  ¦ ´ òÖ  ¦, ×  æ$ í p    D ¥ ½ + Ë y  , " é ¶   Ð ×  æ$ í p  

Study on the Measurement of the Detection Efficiency at the RENO Detector

Chang-Dong Shin

Institute for the Universe & Elementary Particles,

Department of Physics, Chonnam National University, Gwangju 500-757

Jee-Seung Jang ∗

GIST College, Gwangju Institute of Science and Technology, Gwangju 500-712 (Received 10 July 2012 : revised 30 July 2012 : accepted 30 August 2012)

RENO, which is a domestic reactor neutrino experiment to measure the neutrino mixing angle θ

, has been recording data since August 2011. θ

PACS numbers: 13.15.+g, 14.60.Pq

Keywords: RENO, Detection efficiency, Neutrino mixing angle, Reactor neutrino

E-mail: [email protected]

-979-

I. " e Â ] Ø

RENO(Reactor Experiment for Neutrino Oscillation) z

´+ « > É r l  : r{ 9  ×  æ _     ì ø Í    ×  æ$ í p  \  ¦   Ø  ¦

#  ×  æ$ í p     1 l x   ¨ 8   © Ã º θ

\  ¦ 8 £ ¤& ñ   H z ´+ « >s   [1–3]. ×  æ$ í p     1 l x S X    `  ¦ 0 AK " f RENO  H % ò F g " é ¶  

§

4 µ 1 Ï   è_  " é ¶   Ð\ " f Ù þ ì  r\ P  õ & ñ \  _ K  Ò q t$ í ÷ &  H ì

ø Í    ×  æ$ í p  _  s 1 l x  o \    É r   f  `  ¦  ' a8 £ ¤ ô  Ç

 [4]. " é ¶   Ð\ " f Ò q t$ í  ) a ×  æ$ í p    H   H  o ü < " é ¶  o 

\

 0 Au ô  Ç 1 l x{ 9 ô  Ç   Ø  ¦ l \ " f % i Z Ô  æ õ (IBD, Inverse Beta Decay) õ & ñ `  ¦ :  x K    Ø  ¦ ÷ & 9,   Ø  ¦ ) a ×  æ$ í p  _ 

>

hÃ ºü < \  -t   H θ

8 £ ¤& ñ \  f  ] X   ' a >   ) a . s  õ & ñ \ 

"

f y     Ø  ¦ l _    Ø  ¦ ´ òÖ  ¦ õ  Õ ª  ¸   H ×  æ כ ¹ô  Ç  © Ã º Ð   6

x  ) a  [1,2].



: r  7 Hë  H \ " f  H RENO   Ø  ¦ l \ " f " é ¶   Ð ×  æ$ í p   s 

 $

à Ô_    Ø  ¦ ´ òÖ  ¦`  ¦  7 H _ \  ¦  Ð\  ¦ :  x K  S X     ¦,   Ø  ¦ ´ ò Ö

 ¦ _  8 £ ¤& ñ \   ¸ \  ¦ ×  ¦ Ã º e    H כ ¹  [ þ t õ  Õ ª  ¸  # 3 0 A

\

 ¦ ¶ ú ( R Ð  ¤ .

II. Ã X Ø? _ õ u §z ºõ u § T  Ó Þ X ¢ ß e È û s Ú Çù o Ú  ¤X N Ë

1. RENO ß e È û s ÚM 

% ò

F g " é ¶  § 4 µ 1 Ï   è  H þ j@ / 2.66 ∼ 2.8 GW

_  \ P  Ø  ¦

§ 4

`  ¦ ° ú   H 6 > h_  " é ¶   Ð  _  1 l x{ 9 ô  Ç ç ß   Ü ¼ Ð { 9 § > = Ð Z

þ

t # Q" f e  Ü ¼ 9, RENO  H 6 > h " é ¶   Ð ×  æd  Ü ¼ ÐÂ Ò'  y  y   294 ü < 1383_   o \  0 Au ô  Ç   H ·" é ¶  o    Ø  ¦ l \ " f " é ¶  



Ð ×  æ$ í p  \  ¦   Ø  ¦ ô  Ç .   Ø  ¦ l [ þ t É r í ß õ  Z  } É r   ü x 9 

\

 ' V , `  ¦ Ý ü   ¦ [ O u  H  d Ü ¼ Ð+  Ä ºÅ Ò  Ü ¼ Ð   ô  Ç Ñ þ Õ ª  î

 r × ¼\  ¦ ´ òÖ  ¦& h Ü ¼ Ð é ß   ¦ e   .   Ø  ¦ l  ? /Â Ò  H Fig.

1 õ  ° ú s  target, γ-catcher, buffer, veto Ð ½ ¨$ í ÷ &# Q e  

 [2]. Õ ªo  ¦ y  y  _  % ò % i \  ´ òÖ  ¦& h   ×  æ$ í p  _    Ø  ¦

`

 ¦ 0 A #  Gadolinium (Gd) loaded Liquid Scintillators, Liquid Scintillators, Mineral Oil Õ ªo  ¦ Water G 0 >

4

R e   . ¢ ¸ô  Ç   Ø  ¦ l  ? /Â Ò_  Ó ü t| 9 õ  ì ø Í6 £ x ô  Ç ×  æ$ í p  

\

 ¦   Ø  ¦ l  0 AK    Ø  ¦ l  ? /Â Ò\  354> h_  PMT (Photo Multiplier Tube) ü < Ä ºÅ Ò  Á » : r (cosmic ray muon) õ  ° ú

 É

RENO ß e È û s ÚM 8 ý ß e È û s Ú Çù o Ú ¤X N Ë ì Å

RENO ß e È û s ÚM 8 ý ß e È û s Ú Çù o Ú ¤X N Ë ì Å

ç ¡ ò 6 B

ºÅ Ò èw n ½ ¨ è, z @ / < Æ § Ó ü t o < Æõ , F g Å Ò 500-757

ç

¡U û B

GIST @ / < Æ, F g Å Òõ < Æl Õ ü t" é ¶, F g Å Ò 500-712

(2012¸ 7 Z 4 10{ 9 ~ Ã Î6 £ §, 2012¸ 7 Z 4 30{ 9 Ã º& ñ : r ~ Ã Î6 £ §, 2012¸ 8 Z 4 30{ 9 > F S X & ñ )

×

æ$ í p 1 l x ¨ 8 © Ã º θ

8 £ ¤& ñ ` ¦ 0 Aô Ç ² D G ? / " é ¶ × æ$ í p z ´+ « > RENO 2011¸ 8 Z 4Â Ò' X <

' S \ 1 p q` ¦ r % i . % ò F g " é ¶ Ü ¼ ÐÂ Ò' î r o \ 0 Au ô Ç H o Ø ¦ l ü < o \ 0 Au ô

Ç " é ¶ o Ø ¦ l \ " f × æ$ í p _ f ` ¦ ' a8 £ ¤ < ÊÜ ¼ Ð+ θ

\ ¦ 8 £ ¤& ñ ½ + É Ã º e H X <, s M : y Ø ¦ l

d # Q: RENO, Ø ¦ ´ òÖ ¦, × æ$ í p D ¥ ½ + Ë y , " é ¶ Ð × æ$ í p

Jee-Seung Jang ^∗

´+ « > É r l : r{ 9 × æ _ ì ø Í × æ$ í p \ ¦ Ø ¦

# × æ$ í p 1 l x ¨ 8 © Ã º θ

\ ¦ 8 £ ¤& ñ H z ´+ « >s [1–3]. × æ$ í p 1 l x S X ` ¦ 0 AK " f RENO H % ò F g " é ¶

4 µ 1 Ï è_ " é ¶ Ð\ " f Ù þ ì r\ P õ & ñ \ _ K Ò q t$ í ÷ & H ì

ø Í × æ$ í p _ s 1 l x o \ É r f ` ¦ ' a8 £ ¤ ô Ç

[4]. " é ¶ Ð\ " f Ò q t$ í ) a × æ$ í p H H o ü < " é ¶ o

0 Au ô Ç 1 l x{ 9 ô Ç Ø ¦ l \ " f % i Z Ô æ õ (IBD, Inverse Beta Decay) õ & ñ ` ¦ : x K Ø ¦ ÷ & 9, Ø ¦ ) a × æ$ í p _

hÃ ºü < \ -t H θ

8 £ ¤& ñ \ f ] X ' a > ) a . s õ & ñ \

f y Ø ¦ l _ Ø ¦ ´ òÖ ¦ õ Õ ª ¸ H × æ כ ¹ô Ç © Ã º Ð 6

x ) a [1,2].

: r 7 Hë H \ " f H RENO Ø ¦ l \ " f " é ¶ Ð × æ$ í p s

$

à Ô_ Ø ¦ ´ òÖ ¦` ¦ 7 H _ \ ¦ Ð\ ¦ : x K S X ¦, Ø ¦ ´ ò Ö

¦ _ 8 £ ¤& ñ \ ¸ \ ¦ × ¦ Ã º e H כ ¹ [ þ t õ Õ ª ¸ # 3 0 A

¦ ¶ ú ( R Ð ¤ .

II. Ã X Ø? _ õ u §z ºõ u § T Ó Þ X ¢ ß e È û s Ú Çù o Ú ¤X N Ë

1. RENO ß e È û s ÚM

F g " é ¶ § 4 µ 1 Ï è H þ j@ / 2.66 ∼ 2.8 GW

_ \ P Ø ¦

` ¦ ° ú H 6 > h_ " é ¶ Ð _ 1 l x{ 9 ô Ç ç ß Ü ¼ Ð { 9 § > = Ð Z

t # Q" f e Ü ¼ 9, RENO H 6 > h " é ¶ Ð × æd Ü ¼ ÐÂ Ò' y y 294 ü < 1383_ o \ 0 Au ô Ç H ·" é ¶ o Ø ¦ l \ " f " é ¶

Ð × æ$ í p \ ¦ Ø ¦ ô Ç . Ø ¦ l [ þ t É r í ß õ Z } É r ü x 9

' V , ` ¦ Ý ü ¦ [ O u H d Ü ¼ Ð+ Ä ºÅ Ò Ü ¼ Ð ô Ç Ñ þ Õ ª î

r × ¼\ ¦ ´ òÖ ¦& h Ü ¼ Ð é ß ¦ e . Ø ¦ l ? /Â Ò H Fig.

1 õ ° ú s target, γ-catcher, buffer, veto Ð ½ ¨$ í ÷ &# Q e

[2]. Õ ªo ¦ y y _ % ò % i \ ´ òÖ ¦& h × æ$ í p _ Ø ¦

¦ 0 A # Gadolinium (Gd) loaded Liquid Scintillators, Liquid Scintillators, Mineral Oil Õ ªo ¦ Water G 0 >

R e . ¢ ¸ô Ç Ø ¦ l ? /Â Ò_ Ó ü t| 9 õ ì ø Í6 £ x ô Ç × æ$ í p

¦ Ø ¦ l 0 AK Ø ¦ l ? /Â Ò\ 354> h_ PMT (Photo Multiplier Tube) ü < Ä ºÅ Ò Á » : r (cosmic ray muon) õ ° ú

É

r Ñ þ Õ ª î r × ¼\ ¦ ' a8 £ ¤ l 0 AK ü @Â Ò\ 67> h_ PMT, 8 ú x 421 > h_ PMT [ O u ÷ &# Qe .

2. RENO Ã X Ø? _ õ u §z º

7 H _ \ ¦ Ð r Ó ý t Y Us É r { 9 Ó ü t o z ´+ « >ì r$ 3 \ " f Ø

¦ l _ # Q t Ã º[ þ t` ¦ n H X < e # Q" f Ä »6 x

Ç ½ ¨ ~ ½ ÓZ O s . ¢ ¸ô Ç r Ó ý t Y Us ½ ¨ ÐÂ Ò' > : x ¸

(systematic uncertainty)\ ¦ Æ Ò& ñ ½ + É Ã º e . s \

f / å L ÷ & H ¸ H > : x ¸ \ ¦ _ p ô Ç .

RENO ü < ° ú É r " é ¶ × æ$ í p z ´+ « >\ " f × æ כ ¹ô Ç ì ø Í6 £ x

É

r × æ$ í p ü < Ø ¦ l ? /_ { 9 s \ " f { 9 # Q H % i Z

Ô æ õ s .

RENO 7 H _ \ ¦ Ð r Ó ý t Y Us É r ß ¼> ¿ º é ß > Ð s À

Ò# Q . $ H d (1)_ % i Z Ô æ õ õ & ñ Ü ¼ Ð µ 1 ÏÒ q t

& H ª ü < × æ$ í _ î r1 l x | ¾ Ó` ¦ 7 ' Ð Ò q t$ í ô Ç . 7 H _

\ ¦ Ð\ ¦ : x K " é ¶ Ð × æ$ í p _ \ -t \ @ /ô Ç í ß ê

ø Íé ß & h ` ¦ S X ½ + É Ã º e H X <, Vogelõ Beacom_ õ

¦ s 6 x % ò F g " é ¶ _ × æ$ í p e ¦! 3 Û ¼ ÐÂ Ò' 8 ú x í ß ê

ø Íé ß & h ` ¦ > í ß ½ + É Ã º e [5]. 6 £ § É r s X O > Ò q t$ í ) a

ª ü < × æ$ í RENO Ø ¦ l \ " f # Q " ì ø Í6 £ x` ¦ Ð { 9

t \ ¦ r Ó ý t Y Us ô Ç . s ü < ° ú É r Ø ¦ l r Ó ý t Y Us

É r GEANT4\ ¦ l ì ø ÍÜ ¼ Ð ô Ç á Ô ÐÕ ªÏ þ GLG4SIMÜ ¼ Ð [ O

> ÷ &% 3 [6]. GLG4SIM\ " f H Ø ¦ l ? /_ Ó o^ $ 3 F g Ó

ü t| 9 Ð Â Ò' _ { 9 [ þ t _ ì ø Í6 £ x x 9 PMT_ ½ ¨ ¸ü < [ O u \ ¦

¨ & ³ô Ç á Ô ÐÕ ªÏ þ s . s Qô Ç õ & ñ É r X <s ' Ã º| 9 ` ¦ 0 A ô

Ç ´ òõ & h Ø ¦ l ] j \ ¸¹ ¡ §` ¦ ï r . ¢ ¸ô Ç RENO z ´ +

> \ z ´] j Ø ¦ l _ 1/15 ß ¼l _ » ¡ ¤ è+ þ A Ø ¦ l \ ¦ ] j

# ª ô Ç Ö qo Ú ÔY Us èÛ ¼ Ð z ´+ « >` ¦ % i ¦, 7 H _

\ ¦ Ð r Ó ý t Y Us õ _ 1 l x{ 9 ô Ç õ \ ¦ % 3 % 3 [7].

3. ß e È û s Ú Çù o Ú ¤X N Ë

RENO H 50 s ? /\ 90> h s © _ PMT hits > r F ½ + É M :

¦ { 9 ì ø Í6 £ x \ _ ô Ç s $ à Ô Ð ç ß Å Ò 9, H o ü < " é ¶ o

Ø ¦ l H 300 Hz ü < 100 Hz_ s $ à Ô Ö ¦ (event rate)` ¦

H . S \ 1 p q ) a X <s ' × æ \ " f " é ¶ Ð × æ$ í p \ _ ô Ç s