[論文レビュー] DUSEL Theory White Paper

Stuart Raby, Trent Walker+29 more|ArXiv.org|Oct 24, 2008

Astrophysics and Cosmic Phenomena被引用数 15

ひとこと要約

このホワイトペーパーは、南ダコタ州のホームステイクで、1メガトンの水チェレンコフ検出器と垂直方向の1キロメートルの縦穴を備えた大規模かつ多目的な地下科学・工学実験施設（DUSEL）の設立を提案している。この施設では、陽子崩壊、ニュートリノ振動、ダークマター、および中性子-反中性子（n–n̄）振動の探査が可能となる。提案されるn–n̄実験は、3.5メガワットのTRIGA原子炉とスーパー・ミラー中性子ガイドを用い、現在の限界比に対して1,000倍の感度向上を図るものであり、バリオン数の破れを検出可能とし、ミラーマター形式のダークマターの探査にもつながる可能性がある。

ABSTRACT

The NSF has chosen the site for the Deep Underground Science and Engineering Laboratory (DUSEL) to be in Lead, South Dakota. In fact, the state of South Dakota has already stepped up to the plate and contributed its own funding for the proposed lab, see http://www.sanfordlaboratoryathomestake.org/index.html. The final decision by NSF for funding the Initial Suite of Experiments for DUSEL will be made early in 2009. At that time the NSF Science Board must make a decision. Of order 200 experimentalists have already expressed an interest in performing experiments at DUSEL. In order to assess the interest of the theoretical community, the Center for Cosmology and Astro-Particle Physics (CCAPP) at The Ohio State University (OSU) organized a 3-day DUSEL Theory Workshop in Columbus, Ohio from April 4 - 6, 2008. The workshop focused on the scientific case for six proposed experiments for DUSEL: long baseline neutrino oscillations, proton decay, dark matter, astrophysical neutrinos, neutrinoless double beta decay and N-Nbar oscillations. The outcome of this workshop is the DUSEL Theory White paper addressing the scientific case at a level which may be useful in the decision making process for policy makers at the NSF and in the U.S. Congress. In order to assess the physics interest in the DUSEL project we have posted the DUSEL Theory White paper on the following CCAPP link http://ccapp.osu.edu/whitepaper.html . Please read the white paper and, if you are interested, use the link to show your support by co-signing the white paper.

研究の動機と目的

• 標準模型を超える基礎物理学の検証を目的とした、ホームステイクに位置するDUSELを世界的に有数の地下実験施設とする。
• CP対称性の破れ、ニュートリノ質量順序、および振動パラメータを含む、未解決のニュートリノ物理学の問題に取り組む。
• グランドユニフィケーション理論（GUT）の兆候としての陽子崩壊を探索する。
• ミラーマターおよび超対称粒子を含むダークマター候補を調査する。
• バリオン数の破れの兆候としての中性子-反中性子（n–n̄）振動の存在を検証する。

提案手法

• 3.5メガワットのTRIGA原子炉から発生する超低温中性子を、真空チューブと磁場補償を施した1キロメートルの縦穴を介して誘導する。
• スーパー・ミラー反射体を用いて中性子を縦穴に集束させ、底面での消失をn–n̄振動の印とみなす。
• n–n̄遷移をオン/オフ切り替え可能なアクティブ磁気シールドを導入し、結果の確認を可能にする。
• 冷却液状デューテリウムモダレーターを用いて、中性子の速度を1 km/s未満に低下させ、検出効率を向上させる。
• 長基準距離と低バックグラウンド環境を活かし、希少過程の高感度検出を実現する。
• フェルミラブなどからの長基準距離ニュートリノビームと検出器を統合し、ニュートリノ振動およびCP対称性の破れを研究する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 特定のGUTおよびミラーマター理論が予測するように、τₙ₋ₙ̄ ~ 10³⁵年という感度で中性子-反中性子振動が観測可能かどうか。
• RQ2 初期宇宙における物質-反物質非対称性の生成に、バリオン数の破れが果たす役割は何か。
• RQ3 DUSELに設置された大規模なメガトン級水チェレンコフ検出器が、CP対称性の破れや質量順序を含むニュートリノ振動パラメータを高精度で測定可能かどうか。
• RQ4 n–n̄振動がミラーニュートロンや最軽い超対称粒子といったダークマター候補とどのように関連しているか。
• RQ5 縦方向のn–n̄実験が水平設計と比較して、冷たい中性子に及ぼす重力的影響をどのように軽減できるか、その実現可能性と感度は。

主な発見

• DUSELにおける提案される縦方向n–n̄実験は、現在の実験的限界比に対して1,000倍以上の感度向上が可能であり、予想される寿命感度はτₙ₋ₙ̄ ~ 1×10³⁵年まで到達すると予想される。
• 3年間の運用後、n–n̄振動時間の感度は1,000倍向上すると予想され、12年間でさらに4倍の改善が可能である。
• 3.5メガワットのTRIGA原子炉からの反ニュートリノフラックスは、約62/kiloton・年と推定され、地熱ニュートリノおよびニュートリノ実験の制御可能なバックグラウンドとして扱える。
• n–n̄検出器のバックグラウンドレートは極めて低くなると予想され、1件の観測イベントが発見信号となる可能性がある。
• 縦方向のトンネルを用いることで、長距離飛行路における冷たい中性子に及ぼされる重力的影響が軽減され、検出の正確性が著しく向上する。
• 本実験は、既存の技術に立脚しており、主な課題は縦方向インfraの工学的・建設的実現にある。