[論文レビュー] Determination of a time-shift in the OPERA set-up using high energy horizontal muons in the LVD and OPERA detectors

N. Yu. Agafonova, P. Antonioli+89 more|arXiv (Cornell University)|Jun 12, 2012

Advanced Frequency and Time Standards参考文献 1被引用数 5

ひとこと要約

本研究では、LNGSにおけるGran Sasso質量体の特異的構造（「テラモ異常」として知られる）のおかげで、高エネルギーの水平方向ミューオンがLVDおよびOPERA両検出器を通過するのを観測し、OPERA検出器の時間同期系における時間シフトを独立して測定した。1200日間にわたる306個のミューオンイベントを分析した結果、2008年8月から2011年12月の間、OPERAの時間同期系に−(73 ± 9) nsの系統的遅延が存在することが判明した。この結果は、以前に報告された異常なニュートリノ速度と同程度の大きさであり、一致する。

ABSTRACT

The purpose of this work is to report the measurement of a time-shift in the OPERA set-up in a totally independent way from Time Of Flight (TOF) measurements of CNGS neutrino events. The LVD and OPERA experiments are both installed in the same laboratory: LNGS. The relative position of the two detectors, separated by an average distance of ~ 160 m, allows the use of very high energy horizontal muons to cross-calibrate the timing systems of the two detectors, using a TOF technique which is totally independent from TOF of CNGS neutrino events. Indeed, the OPERA-LVD direction lies along the so-called "Teramo anomaly", a region in the Gran Sasso massif where LVD has established, many years ago, the existence of an anomaly in the mountain structure, which exhibits a low m. w. e. thickness for horizontal directions. The "abundant" high-energy horizontal muons (nearly 100 per year) going through LVD and OPERA exist because of this anomaly in the mountain orography. The total live time of the data in coincidence correspond to 1200 days from mid 2007 until March 2012. The time coincidence study of LVD and OPERA detectors is based on 306 cosmic horizontal muon events and shows the existence of a negative time shift in the OPERA set-up of the order of deltaT(AB) = - (73 \pm 9) ns when two calendar periods, A and B, are compared. This result shows a systematic effect in the OPERA timing system from August 2008 until December 2011. The size of the effect is comparable with the neutrino velocity excess recently measured by OPERA. It is probably interesting not to forget that with the MRPC technology developed by the ALICE Bologna group the TOF world record accuracy of 20 ps was reached. That technology can be implemented at LNGS for a high precision determination of TOF with the CNGS neutrino beams of an order of magnitude smaller than the value of the OPERA systematic effect.

研究の動機と目的

• ニュートリノの到着時刻測定とは無関係な手法を用いて、OPERA実験の時間同期系を独立して検証すること。
• OPERA時計に系統的オフセットが存在するのでは、以前に報告された光速超過ニュートリノ異常を説明できるかを調査すること。
• 「テラモ異常」として知られるGran Sasso質量体の特異的地質構造を活用し、高エネルギーの水平ミューオンを検出可能にする。
• 宇宙ミューオンの到着時刻差を用いて、LVDおよびOPERA検出器を時間飛行速度（TOF）測定による相互校正ツールとして利用すること。
• 将来のLNGSにおけるニュートリノ速度実験のための高精度で独立した時間同期校正を提供すること。

提案手法

• Gran Sasso質量体の「テラモ異常」に起因する、両検出器を通過する高エネルギーの水平ミューオンを用いた。
• ニュートリノイベントとは独立して、両検出器間でのミューオンの時間飛行（TOF）を、到着時刻の差異を測定することで行った。
• 2007年中頃から2012年3月までに、重ねて記録されたデータから306件の宇宙ミューオンイベントを分析した。
• OPERA時間同期系の系統的ドリフトを検出するために、2つの暦期間（AおよびB）を比較した。
• 既知の基準距離（約160 m）と検出器間の測定時刻差に基づくTOF技術を適用した。
• 20 psの分解能を達成したALICEボローニャグループが開発したMRPC技術を、高精度時間同期の基準として用いた。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 OPERA検出器の時間同期系に、異常なニュートリノ速度測定を説明できる系統的時間オフセットが存在するか？
• RQ2 高エネルギーの水平ミューオンは、地下ニュートリノ実験における時間同期系の信頼できる相互校正ツールとして利用可能か？
• RQ3 Gran Sasso質量体の「テラモ異常」は、時間同期校正に利用可能な測定可能な高エネルギー水平ミューオンのフラックスを十分に生じさせるか？
• RQ4 OPERA時間同期系における時間オフセットの大きさと安定性は、複数年にわたってどのように変化するか？
• RQ5 ミューオンを用いたTOF測定は、ニュートリノを用いたTOF測定と同等またはそれ以上の精度に達するか？

主な発見

• 2008年8月から2011年12月の間、LVDに対してOPERA時間同期系に−(73 ± 9) nsの系統的時間シフトが測定された。
• 1200日間にわたる重ねて記録された306件の高エネルギー水平ミューオンイベントにおいて、この時間シフトは一貫して観測された。
• この効果は、ニュートリノ伝播の物理的異常ではなく、OPERA時間同期系のキャリブレーション問題に起因するとされる。
• この時間シフトの大きさは、以前に報告された光速超過ニュートリノ速度の超過と同程度であり、共通の機器的要因に起因する可能性を示唆している。
• 宇宙ミューオンを用いることで、長基準距離ニュートリノ実験における堅牢で独立した時間同期校正手法が得られた。
• MRPCを用いたTOF技術は、世界記録となる20 psの時間分解能を達成し、将来的なLNGSにおける高精度測定にその可能性を示した。