[論文レビュー] Design Of The LBNF Beamline

V. Papadimitriou, Kavin Ammigan+32 more|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2015

Neutrino Physics Research参考文献 2被引用数 3

ひとこと要約

本論文は、フェルミラブの長基線ニュートリノ施設（LBNF）ビームラインの概念設計を提示する。60–120 GeVの陽子ビームを固体標的に照射し、磁気ホーンで崩壊生成物を焦点化して194 mの崩壊管に導き、ミューオンニュートリノを生成する高強度ニュートリノビームを生産する。初期運用は1.2 MWで実施可能であり、2.4 MWへのアップグレードも可能で、DUNEの長基線ニュートリノ振動物理学に最適化されており、0.5–5 GeVのエネルギー領域で高いニュートリノフラックスを実現するとともに、放射線的安全性を確保するための厳密な措置を講じている。具体的には、5.6 mのコンクリート遮蔽と地下水保護システムを実装している。

ABSTRACT

The Long Baseline Neutrino Facility (LBNF) will utilize a beamline located at Fermilab to carry out a compelling research program in neutrino physics. The facility will aim a wide band neutrino beam toward underground detectors placed at the SURF Facility in South Dakota, about 1,300 km away. The main elements of the facility are a primary proton beamline and a neutrino beamline. The primary proton beam (60-120 GeV) will be extracted from the MI-10 section of Fermilab’s Main Injector. Neutrinos are produced after the protons hit a solid target and produce mesons which are subsequently focused by magnetic horns into a 204m long decay pipe where they decay into muons and neutrinos. The parameters of the facility were determined taking into account the physics goals, spacial and radiological constraints and the experience gained by operating the NuMI facility at Fermilab. The initial proton beam power is expected to be 1.2 MW, however the facility is designed to be upgradeable to 2.4 MW. We discuss here the design status and the associated challenges as well as plans for improvements before baselining the facility.

研究の動機と目的

• 1.2 MWの陽子ビーム出力を実現できる高強度ニュートリノビームラインの設計を目的とし、2.4 MWへのアップグレード可能性を有する。
• フェルミラブとサウスダコタ州のSURF施設間の長基線ニュートリノ振動研究を可能にする。
• 即時放射能、残留放射能、大気および水中の活性化を包括的にモデル化し、地下水保護のための工学的バリアを導入することで、放射線的安全性を確保する。
• 1300 kmの基線で、0.5–5 GeVの範囲で最大のニュートリノフラックスを実現し、第一および第二の振動最大値をカバーする。
• CP違反感度の向上を目的として、二ホーンおよび三ホーン構成を含む高度な標的およびホーン構成を評価する。

提案手法

• フェルミラブのメインインジェクタのMI-10部における1ターン抽出を採用し、60–120 GeVのエネルギーで1サイクルあたり7.5×10¹³個の陽子を10 µsのパルスで供給する。
• 荷電中間子（パイオンおよびカイオン）は、水冷式のグラファイト標的に生成され、2つの磁気ホーンによって194 mの長さでヘリウムで満たされた崩壊管に焦点化される。
• ホーンは最大230 kAの電流パルス（0.8 ms継続）に耐える設計であり、二重放物線形の内導体構造を採用している。
• 崩壊管および標的チャージ周囲には5.6 mのコンクリート遮蔽を設置し、放射線を遮蔽するとともに地下水を保護する。この構造は、ジオマットバリアと排水システムによって補強されている。
• 崩壊管の出口には、水冷式のアルミおよびスチールブロックからなるハドロン吸収体を設置し、残存するハドロンエネルギーを吸収する。
• 代替構成（二ホーンおよび三ホーンシステム）を、延長された標的（最大2.5 m）および最適化されたホーン幾何形状を用いて評価し、ニュートリノフラックスのシミュレーションを実施した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 LBNFビームラインは、1.2 MWの陽子ビームを供給可能であり、2.4 MWへのスケーラビリティを確保しながら、放射線影響を最小限に抑える設計はどのように実現できるか？
• RQ2 どの標的およびホーン構成が、CP違反のニュートリノ振動感度を最適化するための0.5–5 GeVのニュートリノフラックスを最大化するか？
• RQ3 地下水および一般大衆の放射性核種漏れから保護するため、遮蔽および封じ込めシステムをどのように設計できるか？
• RQ4 高出力下での標的、ホーン、吸収体などのビームライン部品に生じる熱的・機械的・放射線損傷の課題は何か？
• RQ5 三ホーン、延長標的などの代替ホーンおよび標的設計（例：三ホーン、延長標的）は、振動ピーク領域におけるニュートリノフラックスプロファイルをどのように改善するか？

主な発見

• ビームラインは60–120 GeVのエネルギーで1.2 MWの出力を実現可能であり、重大な改造なしに将来的に2.4 MWへのアップグレードが可能である。
• 基準設計では、NuMI方式の標的およびホーンを採用し、標的は最初のホーンに50 cmまで挿入され、水冷式である。
• 崩壊管は194 mの長さで4 mの直径を有し、ヘリウムで満たされており、中間子崩壊によるニュートリノ生成量を最大化する。
• 遮蔽厚さ5.6 mのコンクリートは、即時放射能および残留放射能、大気および水中の活性化の詳細なモデル化に基づいて決定された。
• 標的チャージおよび崩壊管システムは合計でビーム出力の約40％を吸収しており、それぞれ崩壊管とハドロン吸収体で30％ずつを占める。
• 2.0 mの標的と円錐-円筒形ホーンプロファイルを有する最適化された三ホーン構成は、0.8–2.4 GeVのエネルギー領域でニュートリノフラックスを増加させ、CP違反感度の向上に寄与する。