[論文レビュー] European Strategy for Accelerator-Based Neutrino Physics

S. Bertolucci, Alain Blondel+23 more|arXiv (Cornell University)|Aug 2, 2012

Neutrino Physics Research参考文献 6被引用数 17

ひとこと要約

本論文は、CERNのSPS施設を核とする長基準長ニュートリノ計画に焦点を当てた、加速器を用いたニュートリノ物理学における共同ヨーロッパ戦略を提言している。2段階の戦略を推奨する：フィンランドのピハサルミ鉱山を標的とする従来型ニュートリノビーム（CN2PY）と、精度の高いCP対称性破れ研究を目的とした10 GeVのニュートリノファクトリー。両者ともニュートリノ振動と見かけのニュートリノ探索という重要な問いに答えることを目指している。

ABSTRACT

Massive neutrinos reveal physics beyond the Standard Model, which could have deep consequences for our understanding of the Universe. Their study should therefore receive the highest level of priority in the European Strategy. The discovery and study of leptonic CP violation and precision studies of the transitions between neutrino flavours require high intensity, high precision, long baseline accelerator neutrino experiments. The community of European neutrino physicists involved in oscillation experiments is strong enough to support a major neutrino long baseline project in Europe, and has an ambitious, competitive and coherent vision to propose. Following the 2006 European Strategy for Particle Physics (ESPP) recommendations, two complementary design studies have been carried out: LAGUNA/LBNO, focused on deep underground detector sites, and EUROnu, focused on high intensity neutrino facilities. LAGUNA LBNO recommends, as first step, a conventional neutrino beam CN2PY from a CERN SPS North Area Neutrino Facility (NANF) aimed at the Pyhasalmi mine in Finland. A sterile neutrino search experiment which could also be situated in the CERN north area has been proposed (ICARUS-NESSIE) using a two detector set-up, allowing a definitive answer to the 20 year old question open by the LSND experiment. EUROnu concluded that a 10 GeV Neutrino Factory, aimed at a magnetized neutrino detector situated, also, at a baseline of around 2200 km (+-30%), would constitute the ultimate neutrino facility; it recommends that the next 5 years be devoted to the R&D, preparatory experiments and implementation study, in view of a proposal before the next ESPP update. The coherence and quality of this program calls for the continuation of neutrino beams at CERN after the CNGS, and for a high priority support from CERN and the member states to the experiments and R&D program.

研究の動機と目的

• 標準模型を越える物理学を探る高優先度で調整されたヨーロッパの加速器を用いたニュートリノ物理学プログラムを確立すること。
• 長基準長実験を通じて、レプトンのCP対称性破れとニュートリノ混合パラメータの根本的問いに応えること。
• ニュートリノファクトリーと深地中検出器を含む次世代ニュートリノ施設の開発を支援すること。
• CNGSプログラム終了後もCERNにおけるニュートリノビーム運用を継続的に支援すること。
• 次回のヨーロッパ素粒子物理学戦略（ESPP）アップデートに向け、一貫性があり、競争力があり、科学的に頑健なロードマップを提供すること。

提案手法

• CERNのSPS北地区ニュートリノ施設（NANF）から発信される従来型ニュートリノビーム（CN2PY）を、フィンランドのピハサルミ鉱山へ、約2200 kmの基準長で送ることを提言する。
• LSNDの異常信号の兆候を根拠に、CERN北地区における2検出器方式（ICARUS-NESSIE）を用いた見かけのニュートリノ探索を推奨する。
• 10 GeVのニュートリノファクトリーの設計研究を、ニュートリノ振動の高精度測定のための究極的施設として提示する。
• ニュートリノファクトリーの技術開発と実装研究を進めるために、5年間のR&Dおよび準備段階を推奨する。
• 深地中検出器に焦点を当てたLAGUNA/LBNOと、高強度ニュートリノ源に焦点を当てたEUROnuの2つの補完的設計研究を統合する。
• CERNと加盟国による協調的なインfraストラクチャと資金援助の必要性を強調し、長期的なプログラムの持続可能性を確保する。

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実験でレプトンのCP対称性破れが観測可能か？
• RQ2 LSNDの異常信号の本質は何か？そして、専用の見かけのニュートリノ探索によって確認可能か、あるいは否定可能か？
• RQ3 ニュートリノ混合パラメータを最も高精度に測定するために最適なパrametersは何か？
• RQ4 科学的インパクトと国際的競争力を最大化するため、一体どのように大規模で一貫性のあるヨーロッパニュートリノプログラムを構築できるか？
• RQ5 次回のESPPアップデートまでに10 GeVのニュートリノファクトリーを実現するために、どのようなインfraストラクチャとR&D投資が必要か？

主な発見

• CERNのSPSからピハサルミ鉱山へのCN2PYビームは、約2200 kmの基準長を持つ実現可能で高精度な長基準長ニュートリノ実験を提供する。
• CERN北地区におけるICARUS-NESSIEの2検出器方式は、LSNDの異常を決定的に検証するための試験として提案され、20年間にわたる見かけのニュートリノの謎を解消できる可能性を有する。
• 10 GeVのニュートリノファクトリーは、ニュートリノ振動の高精度研究のための究極的施設と特定され、CP対称性破れに対する最高の感度を実現可能である。
• EUROnu研究は、次回のESPPアップデートに向けた公式な提案を提出する前に、5年間のR&Dおよび実装段階が不可欠であると結論付けている。
• 本戦略は、CNGSプログラム終了後もCERNにおけるニュートリノビーム運用を継続的に支援するよう要請し、科学的勢いとインfraストラクチャの準備状態を維持する。
• 統合されたLAGUNA/LBNOとEUROnuの設計研究は、ヨーロッパの次世代主要ニュートリノイニシアチブの科学的根拠に基づいた一貫性のあるロードマップを提供する。