[論文レビュー] Deep Underground Neutrino Experiment (DUNE), Far Detector Technical Design Report, Volume II: DUNE Physics

B. Abi, R. Acciarri+964 more|arXiv (Cornell University)|Feb 7, 2020

Neutrino Physics Research被引用数 78

ひとこと要約

DUNEの遠方検出器物理プログラムの包括的なアーキテクチャと感度評価を詳述し、振動物理、核子崩壊、低エネルギーニュートリノ、標準模型外の探索、シミュレーション、再構築、およびキャリブレーションの枠組みを含む。

ABSTRACT

The preponderance of matter over antimatter in the early universe, the dynamics of the supernovae that produced the heavy elements necessary for life, and whether protons eventually decay -- these mysteries at the forefront of particle physics and astrophysics are key to understanding the early evolution of our universe, its current state, and its eventual fate. DUNE is an international world-class experiment dedicated to addressing these questions as it searches for leptonic charge-parity symmetry violation, stands ready to capture supernova neutrino bursts, and seeks to observe nucleon decay as a signature of a grand unified theory underlying the standard model. The DUNE far detector technical design report (TDR) describes the DUNE physics program and the technical designs of the single- and dual-phase DUNE liquid argon TPC far detector modules. Volume II of this TDR, DUNE Physics, describes the array of identified scientific opportunities and key goals. Crucially, we also report our best current understanding of the capability of DUNE to realize these goals, along with the detailed arguments and investigations on which this understanding is based. This TDR volume documents the scientific basis underlying the conception and design of the LBNF/DUNE experimental configurations. As a result, the description of DUNE's experimental capabilities constitutes the bulk of the document. Key linkages between requirements for successful execution of the physics program and primary specifications of the experimental configurations are drawn and summarized. This document also serves a wider purpose as a statement on the scientific potential of DUNE as a central component within a global program of frontier theoretical and experimental particle physics research. Thus, the presentation also aims to serve as a resource for the particle physics community at large.

研究の動機と目的

• DUNEプログラムの科学的目標を動機付け、説明し、遠方検出器がニュートリノ物理学と関連する標準模型外の探索を前進させる役割を果たす。
• 物理目標を達成するために必要な検出器設計要件、校正戦略、およびシミュレーション/再構築パイプラインを定義する。
• ニュートリノ振動、CP 破壊、質量階層、核子崩壊、超新星ニュートリノ、およびその他の標準模型外の現象に対するDUNEの感度の構造化された評価を提供する。
• 近接検出器と遠方検出器のコンセプトを概要化し、単一相および二重相技術を含め、性能を検証するProtoDUNEプロトタイプを含む。

提案手法

• ニュートリノ流束モデリング、相互作用発生器、検出器シミュレーション、データ取得前提を含むモンテカルロフレームワークを説明する。
• TPC信号処理、ヒット/スペースポイント識別、クラスタリング、パターン認識、カルロリメトリック/粒子識別を含む遠方検出器イベント再構築チェーンを詳述する。
• PandoraとProtoDUNE-SPを検証基盤として用いた再構築性能評価を説明する。
• 物理主導の要件、キャリブレーション源、および39Ar崩壊をキャリブレーション成分として含むステージング計画を含むキャリブレーション戦略を提示する。
• DUNEの感度手法論とDUNE Analysis Frameworkを含む分析フレームワークを概説する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 DUNEのニュートリノ領域におけるCP違反と質量階層に対する期待感度はどの程度か。
• RQ2 近接検出器の測定は系統誤差をどのように制約し、振る舞いパラメータの精度をどう改善するか。
• RQ3 科学目標を達成するために必要な検出器の性能要件とキャリブレーション戦略は何か。
• RQ4 核子崩壊、ステライ neutrinos、その他の標準模型外現象に対するDUNEの到達範囲はどこか。
• RQ5 反応炉/大気ニュートリノ、そして超新星ニュートリノはビームベースのプログラムをどのように補完するか。

主な発見

• 感度の研究は、遠方検出器の設定でDUNEがCP違反と質量順序を探る能力を示唆している。
• CVNベースのイベント選択とProtoDUNE検証を含む包括的なシミュレーションと再構築フレームワークが確立されている。
• 主要な系統誤差を制御するためのエネルギースケール管理と詳細なキャリブレーション計画が提案されている。
• 核子崩壊およびその他の標準模型外の探索が物理プログラムに組み込まれ、検出器要件が概説されている。
• 近接検出器データがフラックス、断層率、検出器関連の不確かさを制約して振動測定を改善する方法を文書化している。