[論文レビュー] Detectors and flux instrumentation for future neutrino facilities

K. Abe, H. Aihara+67 more|arXiv (Cornell University)|Dec 26, 2007

Neutrino Physics Research参考文献 22被引用数 52

ひとこと要約

本論文は、ベータビーム、スーパービーム、ニュートリノファクトリーを含む将来のニュートリノ施設における最適化された検出器およびフラックス計器戦略を提案する。高エネルギーのニュートリノファクトリーの基準として100 ktonの磁化鉄ニュートリノ検出器（MIND）を、1 GeV未塔の施設の基準としてメガトン級の水チェレンコフ検出器を提示し、低エネルギー断面積比における系統的不確実性を詳細に分析した結果、核効果およびインパルス近似の制限により、3–4%の根本的不確実性が避けられないことが判明した。

ABSTRACT

This report summarises the conclusions from the detector group of the International Scoping Study of a future Neutrino Factory and Super-Beam neutrino facility. The baseline detector options for each possible neutrino beam are defined as follows: 1. A very massive (Megaton) water Cherenkov detector is the baseline option for a sub-GeV Beta Beam and Super Beam facility. 2. There are a number of possibilities for either a Beta Beam or Super Beam (SB) medium energy facility between 1-5 GeV. These include a totally active scintillating detector (TASD), a liquid argon TPC or a water Cherenkov detector. 3. A 100 kton magnetized iron neutrino detector (MIND) is the baseline to detect the wrong sign muon final states (golden channel) at a high energy (20-50 GeV) neutrino factory from muon decay. A 10 kton hybrid neutrino magnetic emulsion cloud chamber detector for wrong sign tau detection (silver channel) is a possible complement to MIND, if one needs to resolve degeneracies that appear in the $δ$-$θ_{13}$ parameter space.

研究の動機と目的

• 将来の長基準長ニュートリノ施設（ベータビーム、スーパービーム、ニュートリノファクトリーを含む）における最適な検出器構成を定義すること。
• 低エネルギー（1 GeV未塔）において核効果が支配的となるニュートリノ断面積測定における系統的不確実性に対処すること。
• 振動パラメータ測定における系統的誤差を最小限に抑えるために、近接検出器および遠方検出器の妥当性と性能を評価すること。
• フェルミ運動、結合エネルギー、およびインパルス近似などの核効果が、水チェレンコフ検出器における二重比測定に与える影響を評価すること。
• 将来の施設設計におけるMIND、TASD、液体アルゴンTPC、およびエマルジョンクラウドチェンバーなどの検出器の研究開発プログラムを支援すること。

提案手法

• 磁化鉄カリメーター（MIND）、完全にアクティブなシンチレーション検出器（TASD）、液体アルゴンタイムプロジェクションチェンバー（LAr TPC）、水チェレンコフ検出器、およびエマルジョンクラウドチェンバーを含む、複数の検出器技術を評価する。
• ミューオン崩壊に基づくニュートリノファクトリーからのニュートリノフラックスをモデル化し、ミューオンのスピン配向、ビームの発散角、理論的不確実性を考慮する。
• 低エネルギー断面積に対しては、水に対するニュートリノおよび反ニュートリノ断面積の二重比を計算し、自由核子モデルと核モデルを比較する。
• フェルミガスモデルおよびスペクトル関数アプローチを用いて、核効果に起因する結合エネルギーおよびフェルミ運動の不確実性を評価する。
• インパルス近似（IA）の断面積計算への妥当性を評価し、特に400 MeV未塔の小さな動量移動領域におけるその限界を特定する。
• シミュレーションおよび理論的分析を用いて系統的不確実性を定量的評価し、特に250 MeV–1 GeVのエネルギー範囲で二重比不確実性が3–4%に達することを確認する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 20–50 GeVの高エネルギー（20–50 GeV）ニュートリノファクトリーにおける100 ktonの磁化鉄ニュートリノ検出器（MIND）の最適な検出器構成は何か？
• RQ2 低エネルギー（250 MeV未塔）における水チェレンコフ検出器のニュートリノおよび反ニュートリノ断面積の二重比に、フェルミ運動や結合エネルギーといった核効果がどのように影響を与えるか？
• RQ3 低エネルギーにおけるニュートリノ断面積を計算する際、インパルス近似はどの程度有効であり、その関連不確実性は何か？
• RQ4 250 MeV未塔のエネルギー領域における断面積の二重比の根本的系統的不確実性は何か？5%未塔に低減可能か？
• RQ5 ミューオンおよび電子の検出効率および運動学的特性の違いが、低エネルギーニュートリノ実験における振動測定の精度にどのように影響を与えるか？

主な発見

• 20–50 GeVの高エネルギーのニュートリノファクトリーにおける遠方検出器として、100 ktonの磁化鉄ニュートリノ検出器（MIND）が基準検出器として特定された。これは、誤った符号のミューオン最終状態を検出するためである。
• 1 GeV未塔のベータビームおよびスーパービーム施設における基準選択肢として、スケーラビリティと優れたエネルギー分解能の両方を備えたメガトン級の水チェレンコフ検出器が提示された。
• 水におけるニュートリノおよび反ニュートリノ断面積の二重比は、低エネルギー領域で3–4%の根本的不確実性を示しており、主にインパルス近似の限界および核効果に起因する。
• フェルミ運動および結合エネルギーのモデル化による不確実性は、約250 MeVで二重比不確実性のそれぞれ約2%を占める。
• 250 MeV未塔の領域は、核効果に起因する大きな不確実性および水の中の自由陽子に対する反ニュートリノ反応の優位性のため、信頼性が低いとされる。
• 高度なシミュレーションおよび理論的モデル化を行っても、核効果および物理的・理論的限界のため、低エネルギー領域で二重比不確実性を5%未塔に低減することは不可能である。