[論文レビュー] A High Resolution Neutrino Experiment in a Magnetic Field for Project-X at Fermilab

S. Mishra, R. Petti+1 more|ArXiv.org|Dec 24, 2008

Neutrino Physics Research被引用数 6

ひとこと要約

本論文は、フェルミラブのプロジェクトXにおける高分解能ニュートリノ実験、HiResMνを提案する。0.4 Tの電磁界を用いたドローム磁界と液体水素に類似したトラッカーを採用し、ニュートリノの相互作用を高精度で測定する。3年間で14000万件のνμ CCイベントを収集し、高エネルギービームを用いて弱い混合角を0.2%の感度で測定し、長基準長実験のバックグラウンド生成器としても機能する。

ABSTRACT

We propose a new high-resolution neutrino experiment within a dipole magnetic field, HiResM$ν$. This experiment will run along with long-baseline neutrino oscillation experiments (LBL$ν$) such as NO$ν$A, a large-cavity detector at DUSEL, or a Liquid-Argon detector in the Medium-Energy (ME) configuration of the NuMI-beam. Assuming the 120 GeV Main Injector proton intensities we anticipate 140(50) million $ν_μ$ ($\overlineν_μ$) Charged-Current (CC) events in the fiducial volume, for 3(4)-year run with the ME (anti)neutrino beam. Alternatively, the same statistics could be collected in just 1(1.5) year with the High Energy (HE) beam configuration. The goals of HiResM$ν$ are twofold. It will measure the relative abundance and the energy spectrum of $ν_μ$, $\overlineν_μ$, $ν_e$ and $\overlineν_e$ CC-interactions, which are directly relevant to LBL$ν$. It will serve as an `Event-Generator' of real neutrino interactions to estimate backgrounds and efficiencies in LBL$ν$. As such, it will provide a quantitative determination of the overall energy-scale of neutrino CC interactions and of hadronic multiplicities for all CC and Neutral-Current (NC) event topologies. In addition, it will perform precise measurements of electroweak parameters, of (semi)exclusive processes such as quasi-elastic, resonance, $π^0$ / $K^0_S$ / $Λ$/charm-hadron production, as well as of the hadronic structure of nucleons and nuclei. We expect to reach a sensitivity of about 0.2% on the weak mixing angle by combining different channels. The new experiment will also perform searches for new physics beyond the Standard Model.

研究の動機と目的

• 高分解能ニュートリノ相互作用を用いて、弱い混合角 sin²θW を0.2%未塔の精度で測定すること。
• 長基準長ニュートリノ実験のためのリアルイベント生成器として機能し、バックグラウンドと効率を定量すること。
• ハドロンの多重度、排他的過程（準弾性、共鳴状態、π⁰、K⁰S、Λ、charm）、および核子／原子核構造の高精度な測定を行うこと。
• 実験的および理論的不確実性を低減することで、異常なNuTeV結果のsin²θWに対する検証を行うこと。
• 高統計的・高分解能のニュートリノ相互作用を通じて、標準模型を超える新しい物理を探索すること。

提案手法

• 1 cmの直径を持つストロングチューブトラッカー（STT）を4×4×7 m³で構築し、NOMADに比べて約10倍の空間サンプリングを実現することで、高分解能の荷電粒子再構築を実現する。
• B ≈ 0.4 Tのドローム磁界を設置し、80 MeV以上の電子および250 MeV以上の陽子について、運動量と曲率に基づく粒子識別を可能にする。
• Xeを充填したストロングチューブにトランジションラジエーション検出器を統合し、1000以上でTRを発生させることで、電子の識別を強化し、e/π分離を向上させる。
• Pb/シンチレーション器の電磁カルシウメーターを装備し、光子および非変換エネルギーの完全再構築を実現する。
• 抵抗性板チャンバー（RPCs）を外部ミューオン検出器として設置し、ミューオン識別とバックグラウンド抑制を向上させる。
• プロジェクトXの高統計的ニュートリノビーム（最大1×10¹⁸プロトン/時間）を活用し、3年間で14000万件のνμ CCイベントを収集（MEビーム）または1年間で収集（HEビーム）する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 高分解能ニュートリノ相互作用と磁界を用いた実験で、弱い混合角 sin²θW を0.2%の精度で測定可能か？
• RQ2 HiResMνは、NuTeVの異常事象と比較して、sin²θW 測定における系統的不確実性をどの程度低減できるか？
• RQ3 準弾性散乱、共鳴状態生成、およびcharmハイドロン崩壊といった排他的過程は、高分解能検出器でどの程度正確に再構築可能か？
• RQ4 リアルなバックグラウンドと効率をシミュレートすることで、検出器が長基準長ニュートリノ実験の定量的イベント生成器として機能可能か？
• RQ5 希少または排他的ニュートリノ相互作用を通じて、HiResMνは標準模型を超える新しい物理にどの程度感度を持つのか？

主な発見

• 実験的不確実性は0.1%に達すると予想され、主にミューオン識別と運動論的解析によるもので、理論的不確実性は0.14%にまで低減される。
• ディープインエラスティック散乱（DIS）チャンネルでは、sin²θW の測定精度が0.2%に達するが、ν-e散乱では0.56%の精度にとどまる。
• DISチャンネルにおけるsin²θWの統計的不確実性は0.08%と推定され、NuTeV実験と比較して顕著に低い。
• HiResMνは、約200000件のcharm誘発二重電子（e⁺μ⁺）を現地で測定し、charm生成と海クォーク効果に対する直接的制約が得られる。
• 排他的charmハイドロンは崩壊運動論から再構築可能で、推定される発生数は500万件にのぼる。
• 検出器はNC/CC比Rνを1900万件のNCイベント、Rν̄を400万件のNCイベントで測定し、Low-ν⁰法を用いて正確なフラックス比を決定可能となる。