[論文レビュー] Expression of Interest for a Novel Search for CP Violation in the Neutrino Sector: DAEdALUS

J. Alonso, Avignone, F. T.+43 more|arXiv (Cornell University)|Jun 1, 2010

Neutrino Physics Research参考文献 55被引用数 48

ひとこと要約

DAEδALUSは、コンパクトで高出力のサイクロトロンを用いた新しい短基線実験を提案する。この実験では、パイオンおよびミューオンの崩壊静止状態からのニュートリノビームを生成し、¯xμ→¯xeの振動を用いて、ニュートリノ系におけるCP対称性の破れを高統計・低バックグラウンドで探索する。LBNEのような長基線実験と同等のδCPへの感度を達成し、LBNEデータと組み合わせることで感度が向上する。また、現地に設置されたニュートリノ源により、新たな物理学も可能になる。

ABSTRACT

DAEdALUS, a Decay-At-rest Experiment for delta_CP studies At the Laboratory for Underground Science, provides a new approach to the search for CP violation in the neutrino sector. The design utilizes low-cost, high-power proton accelerators under development for commercial uses. These provide neutrino beams with energy up to 52 MeV from pion and muon decay-at-rest. The experiment searches for aninu_mu to antinu_e at short baselines corresponding to the atmospheric Delta m^2 region. The antinu_e will be detected, via inverse beta decay, in the 300 kton fiducial-volume Gd-doped water Cherenkov neutrino detector proposed for the Deep Underground Science and Engineering Laboratory (DUSEL). DAEdALUS opens new opportunities for DUSEL. It provides a high-statistics, low-background alternative for CP violation searches which matches the capability of the conventional long-baseline neutrino experiment, LBNE. Because of the complementary designs, when DAEdALUS antineutrino data are combined with LBNE neutrino data, the sensitivity of the CP-violation search improves beyond any present proposals, including the proposal for Project X. Also, the availability of an on-site neutrino beam opens opportunities for additional physics, both for the presently planned DUSEL detectors and for new experiments at a future 300 ft campus.

研究の動機と目的

• 崩壊静止状態のパイオンおよびミューオンから得られる、新規で低コストかつ高強度のニュートリノビームを用いて、ニュートリノ系におけるCP対称性の破れを探索すること。
• LBNEのような長基線実験と同等のCP対称性破れ位相δCPへの感度を達成し、物質効果による曖昧さのない状態を実現すること。
• DAEδALUSの反ニュートリノデータとLBNEのニュートリノデータを組み合わせることで、CP対称性の破れ探索における感度を向上させ、発見可能性を2倍に高めること。
• 現地に設置されたビームを用いて、コherentニュートリノ-核子散乱、ニュートリノ磁気モーメントの探索、Δsの測定など、振動以外の物理学を可能にすること。
• 将来のニュートリノ実験に向け、Gd-doped水チョレノフク検出器およびコンパクトなサイクロトロンの開発を促進すること。

提案手法

• 商業的応用開発中の低コストで高出力のプロトンサイクロトロンを用い、パイオンおよびミューオンの崩壊静止状態からニュートリノビームを生成する。
• 300 ktonのGd-doped水チョレノフク検出器から1.5 km、8 km、20 kmの距離に位置する3つのニュートリノ源を配置し、異なる基線で¯xμ→¯xeの振動を測定する。
• 逆ベータ崩壊（IBD）を用いて¯xeを検出する。陽電子と中性子はGd-doped検出器内で遅延一致で識別される。
• 停止したパイオンおよびミューオンからのエネルギースペクトルと発生率を活用し、これらは正確に計算可能であるため、系統的不確かさが最小限に抑えられる。
• 尤度に基づく解析を用いて、見えないミューオンバックグラウンドを約50%低減しつつ、真のIBDイベントの効率は約100%を維持する。
• DAEδALUSのデータとLBNEのνオンリーランニングのデータを組み合わせることで、δCPへの感度を、単独実験を上回るレベルに向上させる。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 コンパクトで高出力のサイクロトロンベースのニュートリノビームは、LBNEのような長基線実験と同等のδCPへの感度を達成できるか？
• RQ2 DAEδALUSの反ニュートリノデータとLBNEのニュートリノデータを組み合わせることで、CP対称性の破れへの感度はどのように向上するか？
• RQ3 DAEδALUSのイベントは、SRNなどの他の実験におけるバックグラウンド低減に、共有解析手法を用いてどの程度寄与できるか？
• RQ4 DAEδALUSの高統計・現地に設置されたニュートリノビームを用いて、どのような非振動物理学を探索できるか？
• RQ5 Gd-doped水チョレノフク検出器およびコンパクトなサイクロトロンの使用は、将来のニュートリノ実験において実用的に実現可能か？

主な発見

• DAEδALUSは、LBNEの長基線実験と同等のδCPおよびθ13への感度を達成し、短基線設計により物質効果による曖昧さがない。
• LBNEのνオンリーランニングと組み合わせることで、CP対称性の破れへの感度が2倍に向上し、Project Xや他の現在の提案を上回る性能を達成する。
• DAEδALUSのビームは、30–55 MeVの範囲で高統計・高精度なIBDイベントサンプルを提供し、他の実験におけるバックグラウンド拒否性能の向上を可能にする。
• 実験の設計により、停止パイオンおよびミューオンの崩壊スペクトルが正確に計算可能であるため、系統的誤差が低減され、発生率の不確かさが最小限に抑えられる。
• Gd-dopingにより中性子捕獲と検出が向上し、IBD信号の識別が容易になり、新たな物理学測定が可能になる。
• 高強度の現地ビームを用いて、コherentニュートリノ-核子散乱、ニュートリノ磁気モーメントの探索、Δsの測定など、追加の物理学が可能になる。