[論文レビュー] A non-conventional neutrino beamline for the measurement of the electron neutrino cross section

A. Berra, S. Cecchini+17 more|arXiv (Cornell University)|Dec 27, 2015

Neutrino Physics Research被引用数 4

ひとこと要約

本論文は、インストルメンテッドな崩壊トンネル内での $K^{+} \rightarrow e^{+} \nu_e \pi^0$ 衰えからの大角度陽電子をカルオリメトリックに検出することで、電子ニュートリノ生成をモニタリングする非伝統的なニュートリノビームラインを提案する。陽電子生成率を直接測定することにより、シミュレーションに依存しない方法で1%未満のフラックス不確実性を達成し、DUNE/HKおよびCP違反研究に不可欠な $\nu_e$ 截面積測定を可能にする。

ABSTRACT

Absolute neutrino cross section measurements at the GeV scale are ultimately limited by the knowledge of the initial $ν$ flux. In order to evade such limitation and reach the accuracy that is needed for precision oscillation physics ($\sim 1$%), substantial advances in flux measurement techniques are requested. We discuss here the possibility of instrumenting the decay tunnel to identify large-angle positrons and monitor $ν_e$ production from $K^+ ightarrow e^+ ν_e π^0$ decays. This non conventional technique opens up opportunities to measure the $ν_e$ CC cross section at the per cent level in the energy range of interest for DUNE/HK. We discuss the progress in the simulation of the facility (beamline and instrumentation) and the ongoing R&D.

研究の動機と目的

• 従来のニュートリノビームが現在 $\nu_e$ 截面積測定を約10%の不確実性で制限しているというフラックス不確実性の制限を克服すること。
• 長基準長実験におけるCP違反および質量階層の決定に不可欠な、$\nu_e$ チャージド・カレント截面積測定を1%レベルの精度で達成すること。
• $K_{e3}$ 衰えからの検出可能な陽電子を介して $\nu_e$ 生成を直接モニタリングするビームラインおよび計測システムを開発し、シミュレーションや外部キャリブレーションに依存しないこと。
• イン・サイトでの陽電子モニタリングを用いたニュートリノフラックス測定の新しいパラダイムを検証し、$\nu_e$ フラックス推定における系統的不確実性を低減すること。

提案手法

• 30–450 GeVの陽子ビームが照射する110 cmのケイ素化ビスマス標的に基づく二次粒子生成を用い、中間子を生成し、ホーン系を介してカリウムおよびパイオンを選別・集束する。
• 8.5 GeV/c ±20%のモーメンタム・バイトを適用することで、$K^+$ 成分を強化し、ミューオンの崩壊寄与を抑制し、$K_{e3}$ 衰えからの $\nu_e$ 純度を向上させる。
• 縦方向セグメンテーションと高速ファイバー読み出しを備えたシャシュリック・カルオリメータと埋め込まれたSiPMを備えたインストルメンテッドな崩壊トンネルが、$K^{+} \to e^{+} \nu_e \pi^0$ 衰えからの大角度陽電子を検出する。
• 陽電子生成率を直接的かつイン・サイトでの $\nu_e$ フラックスモニタリングとして用い、プロトン・オン・ターゲットのキャリブレーションやシミュレーションベースのフラックスモデルへの依存を排除する。
• CERN PSでの1.3 kGyおよび>5 kGyの放射線照射試験で検証された、コンactな放射線耐性を持つシャシュリック・カルオリメータとSiPM読み出しにより、放射線耐性を確保する。
• 現地キャリブレーション、位相空間のリアルタイムモニタリング、$K_{e3}$ 分岐比および粒子識別精度の正確な測定により、系統的不確実性を最小限に抑える。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 崩壊トンネル内での陽電子検出が、1%レベルの精度で直接的かつイン・サイトでの $\nu_e$ フラックス測定を可能にするか？
• RQ2 20%のモーメンタム・バイトとホーン集束を用いることで、ミューオンの崩壊による $\nu_e$ を抑制しながら、$K_{e3}$ 衰えからの $\nu_e$ をどれほど効果的に強化できるか？
• RQ3 ビーム環境下での高レート陽電子モニタリングに適した、十分なPID性能、放射線耐性、およびピルアップ低減能力を備えた検出器技術は何か？
• RQ4 シミュレーションベースのフラックス推定を直接的な陽電子生成率モニタリングに置き換えることで、系統的不確実性はどの程度低減できるか？
• RQ5 埋め込まれたSiPMを備えたシャシュリック・カルオリメータは、高放射線条件下でも安定した高エネルギー分解能および位置再構築を実現できるか？

主な発見

• 検出器での $\nu_e/\nu_\mu$ フラックス比は、$K_{e3}$ 衰えから1.8%であり、ミューオンの崩壊による寄与はたった0.06%にとどまり、$\nu_e$ の強力な強化が確認された。
• $\nu_e$ チャージド・カレント反応の平均ニュートリノエネルギーは3 GeV、FWHMは約3.5 GeVであり、DUNE/HKの関心領域のエネルギー範囲をカバーしている。
• 陽電子モニタリング技術により、監視された $e^+$ 生成率の統計的誤差に起因するフラックス不確実性が0.1%未満にまで低減され、1%レベルの精度に不可欠な貢献がなされた。
• 埋め込まれたSiPMを備えたシャシュリック・カルオリメータは、核反応効果が無視できるほど小さく、安定したエネルギー応答を示し、高レート運用の可能性を裏付けた。
• プロトン・オン・ターゲットキャリブレーション、二次粒子生成率、$K^+/\pi^+$ 比といった主要なフラックス不確実性要因は、すべて直接的かつ現地での測定に置き換えられ、排除された。
• 残留ガス、ビームパイプ幾何、カルオリメータ応答に起因する系統的寄与は、イン・サイトでのモニタリングにより無視できるか、または0.5%未満と推定された。