[論文レビュー] A Long Baseline Neutrino Oscillation Experiment Using J-PARC Neutrino Beam and Hyper-Kamiokande

Hyper-Kamiokande Working Group, K. Abe+246 more|Lancaster EPrints (Lancaster University)|Dec 15, 2014

Neutrino Physics Research参考文献 1被引用数 73

ひとこと要約

本論文は、J-PARCのニュートリノビームとHyper-Kamiokande検出器を用いた長基準距離ニュートリノ振動実験を提案し、CP破れ位相δCPを高精度で測定するとともに、ニュートリノ質量階層を特定することを目的としている。7.5 MW × 10^7 sのビーム露出量を想定した場合、δCPの76%の値に対して3σ以上の感度を達成し、sin²θ₂₃を1σ不確実性0.015（sin²θ₂₃ = 0.5の場合）および0.006（sin²θ₂₃ = 0.45の場合）で測定できる。

ABSTRACT

Hyper-Kamiokande will be a next generation underground water Cherenkov detector with a total (fiducial) mass of 0.99 (0.56) million metric tons, approximately 20 (25) times larger than that of Super-Kamiokande. One of the main goals of Hyper-Kamiokande is the study of $CP$ asymmetry in the lepton sector using accelerator neutrino and anti-neutrino beams. In this document, the physics potential of a long baseline neutrino experiment using the Hyper-Kamiokande detector and a neutrino beam from the J-PARC proton synchrotron is presented. The analysis has been updated from the previous Letter of Intent [K. Abe et al., arXiv:1109.3262 [hep-ex]], based on the experience gained from the ongoing T2K experiment. With a total exposure of 7.5 MW $ imes$ 10$^7$ sec integrated proton beam power (corresponding to $1.56 imes10^{22}$ protons on target with a 30 GeV proton beam) to a $2.5$-degree off-axis neutrino beam produced by the J-PARC proton synchrotron, it is expected that the $CP$ phase $δ_{CP}$ can be determined to better than 19 degrees for all possible values of $δ_{CP}$, and $CP$ violation can be established with a statistical significance of more than $3\,σ$ ($5\,σ$) for $76%$ ($58%$) of the $δ_{CP}$ parameter space.

研究の動機と目的

• 長基準距離ニュートリノ振動実験を用いて、レプトンにおけるCP破れ位相δCPを高精度で測定すること。
• Hyper-Kamiokandeが収集した大気ニュートリノデータを用いて、ニュートリノ質量階層を解明すること。
• 加速器および大気ニュートリノデータを併用することで、混合角sin²θ₂₃を高精度で測定すること。
• 1つの検出器内で加速器および大気ニュートリノ測定を組み合わせることで、物理的探査範囲が拡大することを示すこと。

提案手法

• ニュートリノの相互作用と再構築をモデル化するために、J-PARCニュートリノビームラインおよびHyper-Kamiokande検出器のフルシミュレーションが用いられる。
• δCPおよびθ₂₃の探索に、νₑ出現およびνₘu消失チャンネルが使用される。
• 10年間の露出による大気ニュートリノデータを分析し、質量階層およびθ₂₃の八方性に対する感度を評価する。
• 仮説の違い（δCP、質量階層、θ₂₃の値）を比較するために、Δχ²統計が用いられる。
• 加速器および大気ニュートリノデータの組み合わせは、Δχ²値を加算することでモデル化され、感度の向上が評価される。
• 感度研究ではδCPの不確実性を考慮し、通常の質量階層を仮定するが、階層が未知の場合の評価も実施される。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 J-PARCニュートリノビームを用いたHyper-KamiokandeのCP破れ位相δCPに対する感度はいかほどか？
• RQ2 Hyper-Kamiokandeは大気ニュートリノデータを用いてニュートリノ質量階層を特定できるか？
• RQ3 加速器および大気ニュートリノデータを併用することで、Hyper-Kamiokandeは混合角sin²θ₂₃をどの程度高精度で測定できるか？
• RQ4 加速器および大気ニュートリノ測定の組み合わせにより、δCPおよび質量階層のデゲネラシーを解消できるか？
• RQ5 大気ニュートリノデータのみを用いた場合、θ₂₃の八方性に対する感度はどの程度か？

主な発見

• 7.5 MW × 10^7 sのビーム露出量を想定した場合、Hyper-Kamiokandeは、δCPのすべての値に対して19°未満の精度でδCPを特定できる。
• レプトン系におけるCP破れは、δCPの76%の値に対して3σ以上の有意性で観測可能であり、58%の値に対しては5σ以上の有意性を示す。
• sin²θ₂₃の期待される1σ不確実性は、sin²θ₂₃ = 0.5の場合は0.015、sin²θ₂₃ = 0.45の場合は0.006である。
• 大気ニュートリノデータのみで、現在許容されているθ₂₃のすべての値に対して質量階層の3σ以上の感度が得られる。
• 非最大のθ₂₃の場合、大気ニュートリノデータは、sin²θ₂₃ < 0.46 または sin²θ₂₃ > 0.56 の場合に3σの八方性の区別が可能である。
• 加速器および大気ニュートリノデータを組み合わせることで、δCPにおける偽の解が排除され、単独のチャンネルが達成できる精度をはるかに上回るδCP測定精度が得られる。