[論文レビュー] DUNE Phase II: Scientific Opportunities, Detector Concepts, Technological Solutions

DUNE Collaboration, A. Abed Abud+1370 more|arXiv (Cornell University)|Aug 22, 2024

Radiation Detection and Scintillator Technologies被引用数 5

ひとこと要約

本論文はDUNE Phase II計画を概説し、追加のファー検出器モジュール、アップグレードされた近接検出器、およびより高出力のビーム、ならびに検討対象となる科学機会と検出器技術を詳述している。

ABSTRACT

The international collaboration designing and constructing the Deep Underground Neutrino Experiment (DUNE) at the Long-Baseline Neutrino Facility (LBNF) has developed a two-phase strategy toward the implementation of this leading-edge, large-scale science project. The 2023 report of the US Particle Physics Project Prioritization Panel (P5) reaffirmed this vision and strongly endorsed DUNE Phase I and Phase II, as did the European Strategy for Particle Physics. While the construction of the DUNE Phase I is well underway, this White Paper focuses on DUNE Phase II planning. DUNE Phase-II consists of a third and fourth far detector (FD) module, an upgraded near detector complex, and an enhanced 2.1 MW beam. The fourth FD module is conceived as a "Module of Opportunity", aimed at expanding the physics opportunities, in addition to supporting the core DUNE science program, with more advanced technologies. This document highlights the increased science opportunities offered by the DUNE Phase II near and far detectors, including long-baseline neutrino oscillation physics, neutrino astrophysics, and physics beyond the standard model. It describes the DUNE Phase II near and far detector technologies and detector design concepts that are currently under consideration. A summary of key R&D goals and prototyping phases needed to realize the Phase II detector technical designs is also provided. DUNE's Phase II detectors, along with the increased beam power, will complete the full scope of DUNE, enabling a multi-decadal program of groundbreaking science with neutrinos.

研究の動機と目的

• 長基線ニュートリノ振動測定とニュートリノ天文学を強化するためのPhase IIへの拡張を動機づける。
• DUNEの科学目標を完全に実現するために必要なPhase IIの検出器とビームのアップグレードを定義する。
• Phase IIの実現を可能にする検出器概念、技術、およびR&D路線を特定する。
• Phase IIによって実現される標準模型を超える物理学の機会と希少イベント探索を明示する。

提案手法

• 第三および第四のファー検出器モジュール、アップグレードされた近接検出器複合体、そして強化された2.1 MWビームを含むPhase IIプログラムを説明する。
• Vertical drift構成を含むPhase IIファー検出器の検出器設計概念と、さまざまな読み出し方式を提示する。
• 荷電読み出し、光検出、液体アルゴンドーピング、ハイブリッドチェレンコフ–シンチレーション検出などの進化する技術を、関連する読み出しと背景制御戦略とともに論じる。
• Phase II検出器設計と技術を実現するために必要なR&Dと試作のステップを概説する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 Phase IIのファー検出器とアップグレードされたビームでどのような追加の物理機会が利用可能になるか？
• RQ2 長基線ニュートリノ振動、天体ニュートリノ、標準模型を超える現象への感度を最大化するようにPhase IIの検出器をどのように設計できるか？
• RQ3 増大したビーム出力下でPhase IIの性能目標を最も満たす検出器技術と読み出し方式は何か？
• RQ4 Phase II検出器概念を検証するために必要なR&Dおよび試作プログラムは何か？
• RQ5 拡張されたPhase IIプログラムに対して背景制御と低減をどのように達成できるか？

主な発見

• Phase IIは長基線振動、ニュートリノ天体物理学、および標準模型を超える探索を含む物理学プログラムを拡張する。
• Phase IIは感度を高め、系統誤差を制御するために追加のFDモジュールとアップグレードされたND複合体を想定している。
• Phase IIの読み出しに向けて、垂直ドリフト、さまざまな荷電読み出し、統合荷電光読み出しを含む複数の検出器概念が検討されている。
• 性能向上のため、液体アルゴンドーピング、光感受性ドープ剤、およびハイブリッド検出概念などの技術を検討している。
• 背景制御戦略が概説され、外部・内部背景、ラドンおよび内在同位体背景に対処している。
• Phase II検出器技術を実現するためのR&Dおよび試作段階のロードマップが提供されている。