Optimization of the JUNO liquid scintillator composition using a Daya Bay antineutrino detector

A. Abusleme , T. Adam (1) , S. Ahmad , S. Aiello , M. Akram , N. Ali , F.P. An , G.P. An , Q. An , G. Andronico , N. Anfimov , V. Antonelli , T. Antoshkina , B. Asavapibhop , J.P.A.M. de André (1) , A. Babic , A.B. Balantekin , W. Baldini , M. Baldoncini , H.R. Band , A. Barresi , E. Baussan (1) , M. Bellato , E. Bernieri , D. Biare , T. Birkenfeld , M. Bishai , S. Blin (2) , D. Blum , S. Blyth , C. Bordereau (3) , A. Brigatti , R. Brugnera , A. Budano , P. Burgbacher , M. Buscemi , S. Bussino , J. Busto (4) , I. Butorov , A. Cabrera (2) , H. Cai , X. Cai , Y.K. Cai , Z.Y. Cai , A. Cammi , A. Campeny , C.Y. Cao , G.F. Cao , J. Cao , R. Caruso , C. Cerna (3) , I. Chakaberia , J.F. Chang , Y. Chang , H.S. Chen , P.A. Chen , P.P. Chen , S.M. Chen , S.J. Chen , X.R. Chen , Y.X. Chen , Y.W. Chen , Z. Chen , J. Cheng , Y.P. Cheng , Z.K. Cheng , A. Chepurnov , J.J. Cherwinka , F. Chiarello , D. Chiesa , P. Chimenti , M.C. Chu , A. Chukanov , A. Chuvashova , B. Clerbaux , S. Conforti Di Lorenzo (2) , D. Corti , S. Costa , F.D. Corso , J.P. Cummings , O. Dalager , C. de La Taille (2) , F.S. Deng , J.W. Deng , Z.Y. Deng , W. Depnering , M. Diaz , X.F. Ding , Y.Y. Ding , B. Dirgantara , S. Dmitrievsky , M.V. Diwan , T. Dohnal , G. Donchenko , J.M. Dong , D. Dornic (4) , E. Doroshkevich , J. Dove , M. Dracos (1) , F. Druillole (3) , S.X. Du , S. Dusini , M. Dvorak , D.A. Dwyer , T. Enqvist , H. Enzmann , A. Fabbri , L. Fajt , D.H. Fan , L. Fan , C. Fang , J. Fang , A. Fatkina , D. Fedoseev , V. Fekete , L.C. Feng , Q.C. Feng , G. Fiorentini , R. Ford , A. Formozov , A. Fournier (3) , S. Franke , J.P. Gallo , H.N. Gan , F. Gao , A. Garfagnini , A. Göttel , C. Genster , M. Giammarchi , A. Giaz , N. Giudice , F. Giuliani , M. Gonchar , G.H. Gong , H. Gong , O. Gorchakov , Y. Gornushkin , M. Grassi , C. Grewing , M. Gromov , V. Gromov , M.H. Gu , W.Q. Gu , X.F. Gu , Y. Gu , M.Y. Guan , N. Guardone , M. Gul , C. Guo , J.Y. Guo , L. Guo , W.L. Guo , X.H. Guo , Y.H. Guo , Z. Guo , M. Haacke , R.W. Hackenburg , P. Hackspacher , C. Hagner , R. Han , Y. Han (2) , S. Hans , M. He , W. He , K.M. Heeger , T. Heinz , Y.K. Heng , R. Herrera , A. Higuera , D.J. Hong , Y.K. Hor , S.J. Hou , Y.B. Hsiung , B.Z. Hu , H. Hu , J.R. Hu , S.Y. Hu , T. Hu , Z.J. Hu , C.H. Huang , G.H. Huang , H.X. Huang , Q.H. Huang (1) , W.H. Huang , X.T. Huang , Y.B. Huang , P. Huber , J.Q. Hui , L. Huo , W.J. Huo , C. Huss (3) , S. Hussain , A. Insolia , A. Ioannisian , D. Ioannisyan , R. Isocrate , D.E. Jaffe , K.L. Jen , X.L. Ji , X.P. Ji , X.Z. Ji , H.H. Jia , J.J. Jia , S.Y. Jian , D. Jiang , X.S. Jiang , R.Y. Jin , X.P. Jing , R.A. Johnson , C. Jollet (3) , D. Jones , J. Joutsenvaara , S. Jungthawan , L. Kalousis (1) , P. Kampmann , L. Kang , M. Karagounis , N. Kazarian , S.H. Kettell , A. Khan , W. Khan , K. Khosonthongkee , P. Kinz , S. Kohn , D. Korablev , K. Kouzakov , M. Kramer , A. Krasnoperov , S. Krokhaleva , Z. Krumshteyn , A. Kruth , N. Kutovskiy , P. Kuusiniemi , B. Lachacinski (3) , T. Lachenmaier , T.J. Langford , J.H.C. Lee , F. Lefevre (5) , L. Lei , R. Lei , R. Leitner , J. Leung , C. Li , D.M. Li , F. Li , H.T. Li , H.L. Li , J.J. Li , J.Q. Li , K.J. Li , M.Z. Li , N. Li , Q.J. Li , R.H. Li , S.C. Li , S.F. Li , S.J. Li , T. Li , W.D. Li , W.G. Li , X.M. Li , X.N. Li , X.L. Li , X.Q. Li , Y.F. Li , Z.B. Li , Z.Y. Li , H. Liang , J.J. Liang , D. Liebau , A. Limphirat , S. Limpijumnong , C.J. Lin , G.L. Lin , S.X. Lin , T. Lin , Y.H. Lin , J.J. Ling , J.M. Link , I. Lippi , L. Littenberg , B.R. Littlejohn , F. Liu , H.B. Liu , H.D. Liu , H.J. Liu , H.T. Liu , J.C. Liu , J.L. Liu , M. Liu , Q. Liu , R.X. Liu , S.Y. Liu , S.B. Liu , S.L. Liu , X.W. Liu , Y. Liu , A. Lokhov , P. Lombardi , K. Loo , S. Lorenz , C. Lu , H.Q. Lu , J.B. Lu , J.G. Lu , S.X. Lu , X.X. Lu , B. Lubsandorzhiev , S. Lubsandorzhiev , L. Ludhova , K.B. Luk , F.J. Luo , G. Luo , P.W. Luo , S. Luo , W.M. Luo , V. Lyashuk , Q.M. Ma , S. Ma , X.B. Ma , X.Y. Ma , Y.Q. Ma , Y. Malyshkin , F. Mantovani , Y.J. Mao , S.M. Mari , F. Marini , S. Marium , C. Marshall , C. Martellini , G. Martin-Chassard (2) , D.A. Martinez Caicedo , A. Martini , J. Martino (5) , D. Mayilyan , K.T. Mcdonald , R.D. Mckeown , A. Müller , G. Meng , Y. Meng , A. Meregaglia (3) , E. Meroni , D. Meyhöfer , M. Mezzetto , J. Miller , L. Miramonti , S. Monforte , P. Montini , M. Montuschi , N. Morozov , P. Muralidharan , J. Napolitano , M. Nastasi , D.V. Naumov , E. Naumova , I. Nemchenok , A. Nikolaev , F.P. Ning , Z. Ning , H. Nunokawa , L. Oberauer , J.P. Ochoa-Ricoux , A. Olshevskiy , F. Ortica , H.R. Pan , A. Paoloni , J. Park , N. Parkalian , S. Parmeggiano , S. Patton , T. Payupol , V. Pec , D. Pedretti , Y.T. Pei , N. Pelliccia , A.G. Peng , H.P. Peng , J.C. Peng , F. Perrot (3) , P.A. Petitjean , L.F. Pineres Rico , A. Popov , P. Poussot (1) , W. Pratumwan , E. Previtali , C.S.J. Pun , F.Z. Qi , M. Qi , S. Qian , X.H. Qian , H. Qiao , Z.H. Qin , S.K. Qiu , M. Rajput , G. Ranucci , N. Raper , A. Re , H. Rebber , A. Rebii (3) , B. Ren , J. Ren , C.M. Reveco , T. Rezinko , B. Ricci , M. Robens , M. Roche (3) , N. Rodphai , L. Rohwer , A. Romani , R. Rosero , B. Roskovec , C. Roth , X.C. Ruan , X.D. Ruan , S. Rujirawat , A. Rybnikov , A. Sadovsky , P. Saggese , G. Salamanna , A. Sangka , N. Sanguansak , U. Sawangwit , J. Sawatzki , F. Sawy , M. Schever , J. Schuler (1) , C. Schwab (1) , K. Schweizer , D. Selivanov , A. Selyunin , A. Serafini , G. Settanta , M. Settimo (5) , M. Shahzad , G. Shi , J.Y. Shi , Y.J. Shi , V. Shutov , A. Sidorenkov , F. Simkovic , C. Sirignano , J. Siripak , M. Sisti , M. Slupecki , M. Smirnov , O. Smirnov , T. Sogo-Bezerra (5) , J. Songwadhana , B. Soonthornthum , A. Sotnikov , O. Sramek , W. Sreethawong , A. Stahl , L. Stanco , K. Stankevich , D. Stefanik , H. Steiger , H. Steiner , J. Steinmann , M. Stender , V. Strati , A. Studenikin , G.X. Sun , L.T. Sun , J.L. Sun , S.F. Sun , X.L. Sun , Y.J. Sun , Y.Z. Sun , N. Suwonjandee , M. Szelezniak (1) , J. Tang , Q. Tang , X. Tang , A. Tietzsch , I. Tkachev , T. Tmej , K. Treskov , G. Troni , W. Trzaska , W.-H. Tse , C.E. Tull , C. Tuve , S. van Waasen , J. Vanden Boom , N. Vassilopoulos , V. Vedin , G. Verde , M. Vialkov , B. Viaud (5) , B. Viren , C. Volpe (2) , V. Vorobel , L. Votano , P. Walker , C.H. Wang , E. Wang , G.L. Wang , J. Wang , K.Y. Wang , L. Wang , M.F. Wang , N.Y. Wang , R.G. Wang , S.G. Wang , W.S. Wang , X.Y. Wang , Y.F. Wang , Y.G. Wang , Y.M. Wang , Y.Q. Wang , Z.M. Wang , Z.Y. Wang , A. Watcharangkool , H.Y. Wei , L.H. Wei , W. Wei , Y.D. Wei , L.J. Wen , K. Whisnant , C.G. White , C. Wiebusch , S.C.F. Wong , H.L.H. Wong , B. Wonsak , E. Worcester , C.H. Wu , D.R. Wu , F.L. Wu , Q. Wu , W.J. Wu , Z. Wu , M. Wurm , J. Wurtz (1) , C. Wysotzki , Y.F. Xi , D.M. Xia , Y.G. Xie , Z.Q. Xie , Z.Z. Xing , D.L. Xu , F.R. Xu , H.K. Xu , J.L. Xu , M.H. Xu , T. Xu , Y. Xu , T. Xue , B.J. Yan , X.B. Yan , Y.P. Yan , A.B. Yang , C.G. Yang , H. Yang , J. Yang , L. Yang , X.Y. Yang , Y.F. Yang , Y.Z. Yang , H.F. Yao , Z. Yasin , J.X. Ye , M. Ye , U. Yegin , M. Yeh , F. Yermia (5) , P.H. Yi , Z.Y. You , B.L. Young , B.X. Yu , C.X. Yu , C.Y. Yu , H.Z. Yu , M. Yu , X.H. Yu , Z.Y. Yu , C.Z. Yuan , Y. Yuan , Z.X. Yuan , Z.Y. Yuan , B.B. Yue , N. Zafar , A. Zambanini , P. Zeng , S. Zeng , T.X. Zeng , Y.D. Zeng , L. Zhan , C. Zhang , F.Y. Zhang , G.Q. Zhang , H.H. Zhang , H.Q. Zhang , J.B. Zhang , J.W. Zhang , P. Zhang , Q.M. Zhang , T. Zhang , X.M. Zhang , X.T. Zhang , Y.H. Zhang , Y.M. Zhang , Y.P. Zhang , Y.X. Zhang , Y.Y. Zhang , Z.J. Zhang , Z.P. Zhang , Z.Y. Zhang , F.Y. Zhao , J. Zhao , R. Zhao , S.J. Zhao , T.C. Zhao , D.Q. Zheng , H. Zheng , M.S. Zheng , Y.H. Zheng , W.R. Zhong , J. Zhou , L. Zhou , N. Zhou , S. Zhou , X. Zhou , J. Zhu , K.J. Zhu , H.L. Zhuang , L. Zong , J.H. Zou

1 IPHC - Institut Pluridisciplinaire Hubert Curien
2 IJCLab - Laboratoire de Physique des 2 Infinis Irène Joliot-Curie
3 CENBG - Centre d'Etudes Nucléaires de Bordeaux Gradignan
4 CPPM - Centre de Physique des Particules de Marseille
5 SUBATECH - Laboratoire de physique subatomique et des technologies associées

To maximize the light yield of the liquid scintillator (LS) for the Jiangmen Underground Neutrino Observatory (JUNO), a 20 t LS sample was produced in a pilot plant at Daya Bay. The optical properties of the new LS in various compositions were studied by replacing the gadolinium-loaded LS in one antineutrino detector. The concentrations of the fluor, PPO, and the wavelength shifter, bis-MSB, were increased in 12 steps from 0.5 g/L and $<$0.01 mg/L to 4 g/L and 13 mg/L, respectively. The numbers of total detected photoelectrons suggest that, with the optically purified solvent, the bis-MSB concentration does not need to be more than 4 mg/L. To bridge the one order of magnitude in the detector size difference between Daya Bay and JUNO, the Daya Bay data were used to tune the parameters of a newly developed optical model. Then, the model and tuned parameters were used in the JUNO simulation. This enabled to determine the optimal composition for the JUNO LS: purified solvent LAB with 2.5 g/L PPO, and 1 to 4 mg/L bis-MSB.

Mots clés: Neutrino; Liquid scintillator; Light yield; scintillation counter: liquid; antineutrino: detector; model: optical; JUNO; Daya Bay; wavelength shifter; photon: yield; organic compounds: admixture; fluorine: admixture

Domaines: Instrumentations et Détecteurs [physics.ins-det]; Physique des Hautes Energies - Expérience [hep-ex]

A. Abusleme, T. Adam, S. Ahmad, S. Aiello, M. Akram, et al.. Optimization of the JUNO liquid scintillator composition using a Daya Bay antineutrino detector. Nucl.Instrum.Meth.A, 2021, 988, pp.164823. ⟨10.1016/j.nima.2020.164823⟩. ⟨hal-02966418⟩