[論文レビュー] A CERN-based high-intensity high-energy proton source for long baseline neutrino oscillation experiments with next-generation large underground detectors for proton decay searches and neutrino physics and astrophysics

A. Rubbia|arXiv (Cornell University)|Mar 9, 2010

Neutrino Physics Research参考文献 36被引用数 19

ひとこと要約

本論文は、ヨーロッパにおける長基準長ニュートリノ振動実験のため、CERNに位置する高強度・高エネルギー陽子源（30–50 GeV）を提案する。多MW級の陽子ビームと130–2300 kmの基準長における次世代の地下検出器を活用することで、ニュートリノ混合角θ₁₃の高精度測定、ニュートリノ質量階層の特定、およびレプトン系におけるCP対称性の破れの発見可能性が可能となる。特に、長基準長と低物質効果を特徴とするフィンランドのピハサルミが、優れた候補地として浮上する。

ABSTRACT

The feasibility of a European next-generation very massive neutrino observatory in seven potential candidate sites located at distances from CERN ranging from 130 km to 2300 km, is being considered within the LAGUNA design study. The study is providing a coordinated technical design and assessment of the underground research infrastructure in the various sites, and its coherent cost estimation. It aims at a prioritization of the sites within summer 2010 and a start of operation around 2020. In addition to a rich non-accelerator based physics programme including the GUT-scale with proton decay searches, the detection of a next-generation neutrino superbeam tuned to measure the flavor-conversion oscillatory pattern (i.e. 1st and 2nd oscillation maxima) would allow to complete our understanding of the leptonic mixing matrix, in particular by determining the neutrino mass hierarchy and by studying CP-violation in the leptonic sector, thereby addressing the outstanding puzzle of the origin of the excess of matter over antimatter created in the very early stages of evolution of the Universe. We focus on a multi-MW-power neutrino superbeam (="hyperbeam") produced by high-intensity primary protons of energy 30$÷$50 GeV. We argue that this option is an effective way to establish long baseline neutrino physics in Europe with the high-stake prospects of measuring $θ_{13}$ and addressing CP-violation in the leptonic sector.

研究の動機と目的

• 標準模型を越える基礎物理学を探るため、100,000–1,000,000トンの巨大ニュートリノ観測所（ヨーロッパ次世代）を確立すること。
• 高精度なニュートリノ振動測定を用いて、レプトン系におけるCP対称性の破れを探索することで、物質-反物質非対称性の未解決問題に取り組むこと。
• 陽子崩壊の感度を向上させ、寿命の上限を10³⁵年まで拡張することで、GUTスケールの物理学を検証すること。
• 超新星、初期宇宙、ダークマターの消失から発する宇宙線ニュートリノの精密な研究を可能にすること。
• 高出力陽子源と最適化されたビームライン設計を用いて、技術的に実現可能で費用対効果に優れた、長基準長ニュートリノ物理学の先端的進展への道筋を提供すること。

提案手法

• CERNのハイパワープロトンシンクロtron（HP-PS2）から得られる高強度陽子ビーム（30–50 GeV）を用い、広帯域ニュートリノスーパーソースを生成する。
• オフアシスビームフォーカスを採用し、最初および第二の振動最大値での共鳴に最適化されたニュートリノエネルギースペクトルを実現する。
• NUMI-MEを模倣した高度なターゲットおよび磁気ホーンシステムを備えた新規ビームラインを設計し、多MW級のビーム出力を達成する。
• 基準長（130–2300 km）と岩盤被覆厚（600–4800 m.w.e.）が異なる7か所の候補地（例：ピハサルミ、ブールビー、スラニク）を評価する。
• GLOBESベースのシミュレーションを実施し、5年間のニュートリノおよび反ニュートリノ走行データを用いて、θ₁₃、質量階層、CP対称性の破れの発見可能性を計算する。
• CP対称性の破れおよび質量階層の検出感度を最大化するため、ビームパラメータ（例：3×10²¹ pot/year）と基準長の選定を最適化する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 CERNに位置する高強度陽子源は、最後に未知の混合角θ₁₃を高精度で測定可能なニュートリノスーパーソースを生成できるか？
• RQ2 レプトン系におけるCP対称性の破れの検出感度を最大化するための最適な基準長およびビームエネルギー設定は何か？
• RQ3 CERNからの長基準長スーパーソースを用いて、ニュートリノ質量階層を高い信頼性で特定できるか？
• RQ4 異なる深さとCERNからの距離を有する候補地では、スーパーソースの性能にどのような差が生じるか？
• RQ5 多MW級の陽子源は、陽子崩壊の感度を顕著に向上させ、10³⁵年まで寿命の上限を拡張できるか？

主な発見

• 50 GeVの陽子と3×10²¹ pot/yearのCERNベースのハイパービームは、5年間のニュートリノ走行でも、sin²2θ₁₃ ≈ 0.01まで3σの発見可能性を達成する。
• ピハサルミ（2300 km基準長）は、最適な物質効果とπ遷移効果による曇りの低減により、CP対称性の破れ検出に最も高い感度を示す。
• 長基準長では質量階層の識別が顕著に向上し、2300 km基準長が誤った階層を除外するのに最良の性能を示す。
• 1300 km基準長（例：フレジュ）は、CP対称性の破れ検出に最適な物質効果が最大になる「魔法の距離」として特徴づけられる。
• 5年間のニュートリノ走行と5年間の反ニュートリノ走行の組み合わせは、ニュートリノのみの走行に比べ、CP対称性の破れおよび質量階層の検出感度を向上させる。
• 本研究は、多MW級陽子源が、ニュートリノファクトリーまたはベータビームの実現前に、技術的に実現可能で費用対効果に優れ、かつ時期的にも適切な長基準長ニュートリノ物理学の前進策であることを確認した。