[論文レビュー] A Proposal for a Three Detector Short-Baseline Neutrino Oscillation Program in the Fermilab Booster Neutrino Beam

R. Acciarri, C. Adams+222 more|arXiv (Cornell University)|Mar 5, 2015

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ひとこと要約

本論文は、フェルミラブのブースター・ニュートリノビームにおける液体アルゴンタイムプロジェクションチェンバ（LAr-TPC）を用いた3検出器の短基準長ニュートリノ振動プログラムを提案している。このプログラムは、MicroBooNE、LAr1-ND、ICARUS-T600の3検出器から構成され、ニュートリノ振動データにおける異常を解消し、eVスケールのステルラーニュートリノのこれまでで最も感受性の高い探索を、出現および消滅チャンネルを用いて行うことを目的としている。同時に、将来の長基準長プログラムに向けたLAr-TPC技術の発展も目指している。

ABSTRACT

A Short-Baseline Neutrino (SBN) physics program of three LAr-TPC detectors located along the Booster Neutrino Beam (BNB) at Fermilab is presented. This new SBN Program will deliver a rich and compelling physics opportunity, including the ability to resolve a class of experimental anomalies in neutrino physics and to perform the most sensitive search to date for sterile neutrinos at the eV mass-scale through both appearance and disappearance oscillation channels. Using data sets of 6.6e20 protons on target (P.O.T.) in the LAr1-ND and ICARUS T600 detectors plus 13.2e20 P.O.T. in the MicroBooNE detector, we estimate that a search for muon neutrino to electron neutrino appearance can be performed with ~5 sigma sensitivity for the LSND allowed (99% C.L.) parameter region. In this proposal for the SBN Program, we describe the physics analysis, the conceptual design of the LAr1-ND detector, the design and refurbishment of the T600 detector, the necessary infrastructure required to execute the program, and a possible reconfiguration of the BNB target and horn system to improve its performance for oscillation searches.

研究の動機と目的

• LSNDおよびMiniBooNEの過剰現象を含む、長く続く短基準長ニュートリノ振動の異常を、連携された3検出器実験によって解消すること。
• 液体アルゴンニュートリノビームを用いて、出現および消滅チャンネルの両方を用いて、eVスケールのステルラーニュートリノに対するこれまでで最も感受性の高い探索を実施すること。
• ブースター・ニュートリノビームからの高精度で良好に特徴付けられたニュートリノフラックスを用いて、ニュートリノ-アルゴン断面積を高精度で測定すること。
• 将来の長基準長ニュートリノプログラム（例：LBNF）に向けた液体アルゴンTPC技術の開発と実証を行うこと。
• 詳細な検出器系統計と宇宙線タグギングを用いて、宇宙線由来背景およびビーム誘発「ダスト」イベントの研究を可能にすること。

提案手法

• フェルミラブのブースター・ニュートリノビームに沿って配置された3つのLAr-TPC検出器（MicroBooNE（近接）、LAr1-ND（新設近接）、ICARUS-T600（遠距離））を用いる。
• ニュートリノフラックスを向上させ、ビームの集束を改善することで、信号対背景比を向上させる再最適化されたホーン構成を採用する。
• 高電圧給電部、フィールドケージ、およびUVレーザーを用いたドリフト電場キャリブレーションを備えた高度なTPC読み出しシステムを適用し、正確なイベント再構築を実現する。
• 宇宙線背景を特定・除外するために、シンチレーショントラッカーを用いた宇宙線タグギングシステム（CRTS）を統合する。
• リアルタイムデータ処理と品質監視に最適化されたDAQフレームワークを備えた、フロントエンドエレクトロニクスと組み合わせた二重トリガーシステムを採用する。
• ビーム誘発「ダスト」イベントおよび宇宙線由来背景を含む、ニュートリノフラックスと相互作用の不確実性の詳細なモデリングを、振動解析に適用する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 3検出器LAr-TPC構成は、短基準長ニュートリノ振動におけるLSNDおよびMiniBooNEの異常を明確に解消できるか？
• RQ2 SBNプログラムは、νμ → νe出現およびνμ消滅チャンネルの両方において、eVスケールのステルラーニュートリノに対してどの程度の感受性を有するか？
• RQ3 良好に特徴付けられたブースター・ニュートリノビームとLAr-TPC検出器を用いて、ニュートリノ-アルゴン断面積をどの程度の精度で測定できるか？
• RQ4 LAr1-ND検出器は、以前の実験と比較して、系統的誤差とバックグラウンドの抑制をどの程度向上できるか？
• RQ5 SBNプログラムは、LBNF/DeepInfiniteニュートリノプログラムの技術的および科学的基盤として機能できるか？

主な発見

• SBNプログラムは、Δm² ~ 1 eV² において、νμ → νe出現感度が約1.5 × 10⁻⁴に達し、ステルラーニュートリノに対するこれまでで最も感受性の高い探索が可能となる。
• LAr1-NDのフィducialボリュームは55.0 m³（アルゴン77.0トン）であり、高さ370 cm、長さ405 cmで、νμ分析に最適化されている。
• ICARUS-T600のνμ分析用フィducialボリュームは259.6 m³（アルゴン363トン）で、長さ1700 cm、高さ286 cmである。
• MicroBooNEのνμ分析用フィducialボリュームは43.2 m³（アルゴン60.5トン）で、長さ942 cm、高さ203 cmである。
• プログラムのスケジュールでは、2017年早期に検出器部品の納入、2017年中ごろまでの設置、2017年末までに安全審査の完了を想定している。
• SBNプログラムは、P5勧告（特に#12および#15）に整合しており、フェルミラブにおける包括的な短基準長および長基準長ニュートリノプログラムの確立を支援する。