[論文レビュー] Experiments For CP-Violation: A Giant Liquid Argon Scintillation, Cerenkov And Charge Imaging Experiment ?

A. Rubbia|ArXiv.org|Feb 10, 2004

Dark Matter and Cosmic Phenomena参考文献 7被引用数 69

ひとこと要約

本論文は、CP対称性の破れをニュートリノ振動で測定することを目的とした技術的に実現可能で多目的な検出器として、シンチレーション光およびチェレンコフ光を読み出す100キロトン級液体アルゴンタイムプロジェクションチェンバー（LAr TPC）を提案する。この検出器は、スーパービーム、ベータビーム、大気中ニュートリノ、太陽ニュートリノ、超新星爆発、および陽子崩壊を観測可能であり、優れたエネルギー分解能とバックグラウンド抑制性能を備えているため、将来の高精度なCP対称性の破れ実験に最適である。

ABSTRACT

In this paper we address a class of ``ultimate'' generation experiments for the search of CP-violation in neutrino oscillations. Neutrino factories require large magnetized detectors. New generation superbeams or beta-beams need giant detectors. The liquid Argon TPC technology has great potentials for both applications. Although the ICARUS program has demonstrated that this technology is mature, the possibility to built a giant liquid argon TPC is viewed by many as a technically impossible and unsafe task. We argue that a giant liquid argon Cerenkov and charge Imaging experiment would be an ideal match for a superbeam or a betabeam. Such a detector would in addition cover a broad physics program, including the observation of atmospheric neutrinos, solar neutrinos, supernova neutrinos, and search for proton decays, in addition to the accelerator physics program. We show a potential implementation of such a giant LAr detector and argue that it could be technically feasible. The possibility to host such a detector in an underground cavern is under study.

研究の動機と目的

• 次世代ニュートリノ実験に向けた巨大液体アルゴンTPCの技術的実現可能性を示すこと。
• このような検出器が、ニュートリノ振動におけるCP対称性の破れと、加速器以外の多様な物理学課題を同時に取り扱えることを確立すること。
• ICARUSですでに実証済みの液体アルゴン技術が、メガトンスケールの物理学計画にスケーリング可能であることを主張すること。
• 100キロトン級LAr TPCの物理学的性能を1メガトン級の水チェレンコフ検出器と比較し、同等の感度を示すこと。
• 宇宙線由来のバックグラウンドを最小限に抑えるために、専用の坑道内に地下設置することを提言すること。

提案手法

• シンチレーション光およびチェレンコフ光の二重読み出しにより、粒子識別およびエネルギー分解能を向上させる液体アルゴンタイムプロジェクションチェンバー（LAr TPC）技術を用いる。
• 電荷像の撮影とチェレンコフ光検出を組み合わせることで、ニュートリノ反応の再構築を強化し、信号とバックグラウンドを明確に区別する。
• 電荷増幅を伴う二相運転モードを提案し、大規模検出器に不可欠な長距離ドリフトを可能にする。
• 液体アルゴンの冷却・分離効率を5%と仮定し、LNG技術を用いたクライオスタットシステムを備えた100キロトンの標的として検出器をモデル化する。
• 振動確率の式（式2）を用いて、CP対称性の破れの判別子Δδ、ΔCP、ΔTを計算することで性能を評価する。
• 宇宙線ミューオンに起因する中性子生成率を推定し、バックグラウンド抑制のための地下坑道（鉱山や山中）の設置を提案する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 シンチレーション光およびチェレンコフ光読み出しを備えた巨大液体アルゴンTPCは、CP対称性の破れ測定に必要なエネルギー分解能とバックグラウンド抑制性能を達成可能か？
• RQ2 100キロトン級液体アルゴン検出器は、長基線ニュートリノ実験において技術的に実現可能かつ経済的に実現可能か？
• RQ3 100キロトン級LAr TPCの物理学的探査能力は、1メガトン級の水チェレンコフ検出器と比較して、希少過程への感度でどのように異なるか？
• RQ4 このような検出器は、CP対称性の破れ、大気中ニュートリノ、太陽ニュートリノ、超新星ニュートリノ、および陽子崩壊を高精度で同時に測定可能か？
• RQ5 100キロトン級液体アルゴン検出器を維持するための冷温電力要件と運用上の課題は何か？

主な発見

• シンチレーション光およびチェレンコフ光読み出しを備えた100キロトン級液体アルゴンTPCは技術的に実現可能であり、5%の効率を仮定した場合、冷温電力要件は6.2 MWと推定される。
• 1年間に約324,000件の太陽ニュートリノイベント（再結合エネルギーが5 MeV以上）を観測可能であり、太陽ニュートリノスペクトルの高精度な研究が可能になる。
• 10 kpc離れたType-II超新星から約20,000件の超新星ニュートリノイベントを検出可能であり、早期警戒と詳細な信号再構築が可能になる。
• 90%信頼水準で、陽子の寿命感度はτp/Br > 10^34年 × T(yr) × ε に達し、10年間の運用で10^35年まで到達する。
• 130 kmの基線距離では、2.2 GeVのエネルギーで10^21個の陽子入射に対して460件のνμ charged-current反応を記録し、18Ne崩壊10^19回あたり15,000件のνeイベントを記録する（γ=75）。
• ΔT判別子法は、物質効果に影響されないため、理論的に最もクリアなCP対称性の破れ検出法であり、νe→νμとνμ→νeの非対称性を通じて直接δ位相をプローブする。