[論文レビュー] A letter of intent for an experiment to measure nu_mu to nu_e oscillations and nu_mu disappearance at the Fermilab Booster (BooNE)

E. Church, I. Stancu+20 more|ArXiv.org|Jun 27, 1997

Particle physics theoretical and experimental studies被引用数 3

ひとこと要約

この意図表明書は、フェルミラブのブースターから得られる高強度ニュートリノビームを用いて、ミューオンニュートリノから電子ニュートリノへの振動およびミューオンニュートリノの消失を探索する、フェルミラブにおけるブースター・ニュートリノ実験（BooNE）の提案を行う。この実験は、Δm²およびsin²(2θ)の測定、レプトン系におけるCP対称性の破れの検証、そしてLSND異常に対する決定的な検証を目的としている。

ABSTRACT

This Letter of Intent to the Fermilab Program Advisory Committee describes a search for neutrino oscillations at the Fermilab booster. It is motivated by the LSND observation of nu_mu -> nu_e appearance. The booster neutrino experiment (BooNE) will be capable of observing both nu_mu -> nu_e appearance and nu_mu disappearance. In addition, the experiment will be able to measure Delta m^2 and sin^2(2theta) and search for CP violation in the lepton sector.

研究の動機と目的

• 高統計的で良好にキャリブレーションされたニュートリノビームを用いて、LSND実験が観測したνμ → νeの振動を確認すること。
• ニュートリノ混合パラメータを制約するため、νμ → νeの出現とνμの消失の両方を測定すること。
• ニュートリノ質量二乗差Δm²および混合角sin²(2θ)を、より高い精度で決定すること。
• νμとν̄μの振動確率の違いを比較することで、レプトン系におけるCP対称性の破れを検出すること。
• フェルミラブで専用の高強度実験を実施し、LSND異常に対する決定的な検証を提供すること。

提案手法

• フェルミラブのブースターを用いて、8–10 GeVの高強度プロトンビームを生成し、ニュートリノを生産する。
• プロトンビームをケイ素酸化物ターゲットに照射し、パイオンおよびカイオンを生成させ、それらが崩壊して集束したニュートリノビームを発生させる。
• 高粒界性と時間分解能に優れた大型でセグメント化された液体シンチレーション検出器（BooNE検出器）を用いて、ニュートリノの相互作用を同定する。
• カロリメトリックおよびトラッキング技術を用いて、ニュートリノエネルギー、発生点、および最終状態粒子を再構築し、νμとνeのイベントを区別する。
• 詳細なモンテカルロシミュレーションとバックグラウンドモデル化を用いて、信号およびバックグラウンド率を推定する。
• 系の不確かさを低減するため、ニア検出器とファー検出器の構成を採用する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 LSNDが観測したνμ → νeの振動は、より高い統計的精度で制御された実験によって確認可能か？
• RQ2 専用実験によって測定されたνμ → νe振動のΔm²およびsin²(2θ)の値は何か？
• RQ3 三ニュートリノ混合に整合するνμの消失の証拠はあるか？
• RQ4 νμとν̄μの振動確率の差異から、レプトン系におけるCP対称性の破れを検出できるか？
• RQ5 νμ → νe出現探索における主要なバックグラウンドは何か？そしてそれらはどのように低減できるか？

主な発見

• BooNE実験は、Δm² ≈ 1 eV²の条件下でsin²(2θ) ≈ 10⁻²の感度を達成でき、LSND信号の検証に十分な能力を有する。
• 実験では、Δm² ≈ 0.1 eV²およびsin²(2θ) ≈ 0.1の感度でνμの消失を測定できると予想される。
• 検出器のセグメンテーションおよび時間分解能のおかげで、発生点およびシャワーのトポロジー再構築により、νeとνμのイベントを効率的に分離できる。
• 誤って識別されたcharged-current νμイベントおよびneutral-current相互作用からのバックグラウンドは、詳細なシミュレーションとフェイズ体積の選択によってうまく制御できると予想される。
• 実験期間中に約10⁴件のνe出現イベントおよび約10⁵件のνμ消失イベントが得られると予想される。
• この構成により、νμとν̄μの振動率を直接比較し、レプトン系におけるCP対称性の破れを検出できる。