[論文レビュー] DUNE: Status and Perspectives

D. Brailsford|arXiv (Cornell University)|Apr 13, 2018

Neutrino Physics Research被引用数 5

ひとこと要約

DUNEは、フェルミラブから1300 km離れた液体アルゴン時間投影連合器（LArTPC）を用いた次世代の長基準長ニュートリノ実験であり、高精度でニュートリノ振動を測定する。ニュートリノ質量順序の特定、CP破れ位相δCPの測定、ヒッグスボソンや超対称性を含む標準模型を超える物理学の探査（陽子崩壊や超新星ニュートリノ検出を含む）を目的としている。

ABSTRACT

The Deep Underground Neutrino Experiment (DUNE) provides a rich science program with a focus on neutrino oscillations and other beyond the standard model physics. The high-intensity, wide-band neutrino beam will be produced at the Fermi National Accelerator Laboratory (FNAL) and will be directed to the 40~kt liquid argon far detector at the Sanford Underground Research Facility, 1300~km from FNAL. The primary goals of the experiment are to determine the ordering of neutrino masses and to measure the CP violating phase, $δ_{ extrm{CP}}$. The underground location of the large DUNE far detector and its excellent energy and spatial resolution will allow also for non-accelerator physics programs predicted by grand unified theories, such as nucleon decay or $n$---$\bar{n}$ oscillations. Moreover, DUNE will be sensitive to the electron neutrino flux from a core-collapse supernova, providing valuable information on the phenomenon's underlying mechanisms. This ambitious project requires extensive prototyping and a testing program to guarantee that all parts of the technology are fully understood and well tested. Two such prototypes, in both single phase (ProtoDUNE-SP) and dual phase (ProtoDUNE-DP) technologies, are under construction and will be operated at the CERN Neutrino Platform (NP) starting in 2018.

研究の動機と目的

• 高精度なニュートリノ振動測定を通じて、ニュートリノ質量順序（通常順序 vs. 逆順序）を特定すること。
• 物質と反物質の非対称性を理解するために不可欠な、レプトン系におけるCP破れ位相δCPを測定すること。
• 大容量液体アルゴン検出器を用いて、核子崩壊やn–n̄振動を含む、標準模型を超える物理学を探査すること。
• コアコリプス超新星のニュートリノ信号を研究し、爆発機構とニュートリノ性質に関する知見を得ること。
• 全スケールの部品をテストしたプロトタイプ（ProtoDUNE-SPおよびProtoDUNE-DP）を用いて、大規模なLArTPC技術を検証すること。

提案手法

• フェルミラブからサンダーフォード地下研究施設（SURF）までの1300 kmの基準長を用い、高強度で広帯域のニュートリノビームを発生させる。
• 遠方検出器として、二つの10 ktの液体アルゴン時間投影連合器（LArTPC）を、二相（DP）および単相（SP）の構成で設置し、全スケールの部品をプロトタイプでテストしている。
• 前方および逆方向のホーン電流モードを用いて、1.2 MW（2.4 MWにアップグレード可能）のニュートリノビームを発生させ、νμまたはν̄μビームを選択的に生成する。
• LArTPCとガスアルゴン（GAr）TPCを併用した近接検出器（ND）を用い、未振動ニュートリノフラックスを制約し、系統誤差を低減する。
• 畳み込みニューラルネットワーク（CNN）を含む高度な再構築技術を用いて、n–n̄振動のトポロジーのようなレアなシグナルを同定する。
• CERNのニュートリノプラットフォームで、それぞれ770トンの液体アルゴンを有するProtoDUNE-SPおよびProtoDUNE-DPを用いて、大規模なプロトタイピングを実施し、検出器性能とキャリブレーションを検証する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 長基準長ニュートリノ振動測定によって、ニュートリノ質量順序（通常順序または逆順序）は何か？
• RQ2 ニュートリノ混合行列におけるCP破れ位相δCPの値は何か？非ゼロであるか？
• RQ3 DUNEは、νμ→νμおよびνμ→νe振動チャンネルを併用することで、混合角θ23のオクタントを解明できるか？
• RQ4 DUNEは、特にp→K+ν̄チャンネルを含む核子崩壊に対してどの程度の感度を有するか？
• RQ5 DUNEは、コアコリプス超新星のニュートリノバーストをどの程度効果的に検出・特徴づけることができるか？

主な発見

• 10年間のデータ取得後、NuFit 2016の90%信頼区間の約50%の領域において、DUNEはθ23のオクタントを5σの有意水準で解明できる。
• ProtoDUNE-SPおよびProtoDUNE-DPプロトタイプは、CERNのニュートリノプラットフォームで2018年に設置・稼働を開始し、大規模LArTPC技術の検証がなされる予定である。
• 10年間の露出に対して、DUNEは自由なn–n̄振動の寿命感度を約10^33年まで達成し、Super-Kの限界を上回る。
• 遠方検出器の初回データ取得は2024年を予定しており、LBNFビームおよび近接検出器は2026年までに稼働予定である。
• DUNE全実験は、4基の10 kt LArTPCモジュールを用いて40 ktの液体アルゴンを実現し、史上最大のLArTPCとなる。
• 畳み込みニューラルネットワークの使用により、n–n̄振動シグナルのバックグラウンド抑制が効果的に行われ、星型トポロジーの高効率同定が可能となった。