[論文レビュー] A comparative study of long-baseline superbeams within LAGUNA for large $θ_{13}$

Pilar Coloma, Tracey Li+1 more|arXiv (Cornell University)|Jun 18, 2012

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ひとこと要約

この論文は、Daya Bay や RENO で確認された大きな $θ_{13}$ を踏まえ、LAGUNA デザインスタディにおける長基線スーパービームの CP 違反およびニュートリノ質量階層への感受性を、液体アルゴン、水チェレンコフ、液体シンチレーションの3つの検出器技術を用いて7か所のヨーロッパの施設で評価している。大きな $θ_{13}$ を前提とすると、液体アルゴンおよび水チェレンコフ検出器は、全ベースラインでパラメータ空間の60\%-70\% において $3\sigma$ の CP 違反発見が可能であるのに対し、液体シンチレーション検出器は中性荷電流背景の影響で性能が制限されている。

ABSTRACT

The Daya Bay and RENO experiments have recently observed a non-zero $θ_{13}$ at more than $5σ$ CL. This has important consequences for future neutrino oscillation experiments. We analyze these within the LAGUNA design study which considers seven possible locations for a European neutrino observatory for proton decay, neutrino, and astroparticle physics. The megaton-scale detector would be an ideal target for a CERN-based neutrino beam with baselines ranging from 130 km to 2300 km. We perform a detailed study to assess the physics reach of the three detector options - a 440 kton water Čerenkov, a 100 kton liquid argon and a 50 kton liquid scintillator detector - at each of the possible locations, taking into account the recent measurement of $θ_{13}$. We study the impact of the beam properties and detector performances on the sensitivity to CP-violation and the mass hierarchy. We find that a liquid argon or water Čerenkov detector can make a $3σ$ discovery of CP violation for $60%-70%$ of the parameter space for any of the baselines under consideration, although the results for the liquid argon detector placed at 130 km are slightly worse and only $40%-50%$ is achieved in this case. The performance of the liquid scintillator detector is affected by its level of neutral-current background at all baselines. A $3σ$ determination of the mass hierarchy is possible for all values of $δ$, for the values of $θ_{13}$ favoured at $3σ$ by Daya Bay and RENO, for almost all setups with $L\gtrsim 650$ km.

研究の動機と目的

• LAGUNA デザインスタディにおける長基線スーパービームの CP 違反およびニュートリノ質量階層の測定における物理学的到達可能性を評価すること。
• 検出器技術（液体アルゴン、水チェレンコフ、液体シンチレーション）およびベースライン長さが感受性に与える影響を評価すること。
• 最近測定された大きな $\theta_{13}$ の値を、将来の実験における感受性予測に組み込むこと。
• 現実的なビームおよび検出器条件の下で、$3\sigma$ の CP 違反および質量階層の発見に最適な設定を特定すること。

提案手法

• 物質効果を有効ハミルトニアン法を用いて含めた、物質内でのニュートリノ振動確率の詳細なシミュレーションを実施。
• グローバルフィットからのパラメータを用いた標準的な3ニュートリノ混合フレームワークを採用し、$\sin^2\theta_{13} \approx 0.0245$ を $1\sigma$ 範囲で使用。
• 130 km から 2300 km のベースラインにおける $\nu_\mu \to \nu_e$ および $\bar{\nu}_\mu \to \bar{\nu}_e$ 遷移のイベントレートを計算。
• CP 違反および質量階層の $3\sigma$ 発見可能性を評価するために、$\chi^2$-ベースの統計的検定を用いる。
• エネルギー分解能、効率、バックグラウンド抑制（特に液体シンチレーションにおける中性荷電流バックグラウンド）といった検出器固有の要因を考慮。
• 7か所の LAGUNA 候補施設における3つの検出器技術を比較し、物理学的目標を達成する最適な設定を同定。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 大きな $\theta_{13}$ を前提とした長基線スーパービームにおいて、異なる検出器技術およびベースラインでの CP 違反の $3\sigma$ 発見可能性はどの程度か？
• RQ2 液体シンチレーション検出器は、液体アルゴンおよび水チェレンコフ検出器と比較して、バックグラウンド抑制および感受性においてどのように異なるか？
• RQ3 大きな $\theta_{13}$ の値を前提とした場合、どのベースライン長さでニュートリノ質量階層の $3\sigma$ 確定が可能か？
• RQ4 物質効果および $L/E$ 確率比が $\theta_{13}$、CP 違反、質量階層の感受性にどのように影響するか？
• RQ5 系統的不確実性および検出器性能の影響が、スーパービーム実験の最終的な感受性にどのように及ぶか？

主な発見

• 液体アルゴンおよび水チェレンコフ検出器は、全ベースラインで研究されたパラメータ空間の60\%-70\% において $3\sigma$ の CP 違反発見が可能である。
• 130 km ベースラインにおける液体アルゴン検出器は性能が低下し、パラメータ空間の40\%-50\% のみで $3\sigma$ CP 発見が可能である。
• 液体シンチレーション検出器は中性荷電流バックグラウンドの影響を著しく受け、全ベースラインで感受性が低下している。
• $L \gtrsim 650$ km であれば、$\delta$ の値にかかわらず、ニュートリノ質量階層の $3\sigma$ 確定が可能であり、Daya Bay や RENO が示した $\theta_{13}$ の値に対しても $3\sigma$ で成立する。
• $\nu_\mu \to \nu_e$ 遷移のイベントレートは、ベースラインや $\delta$ に応じて年間約740～1963イベント（100 kton検出器）に達し、1050 km および $\delta = -90^\circ$ のときが最大値を示す。
• $\nu_\mu \to \nu_\tau$ イベントレートは $\delta$ の値にほとんど依存せず、2300 km では年間約350イベント、1050 km では約160イベントに安定していることから、このチャンネルでは $\delta$ 依存性が小さいことが示唆される。