[論文レビュー] High-$\gamma$ Beta Beams within the LAGUNA design study

Christopher Orme|arXiv (Cornell University)|Apr 6, 2010

Neutrino Physics Research参考文献 65被引用数 3

ひとこと要約

本稿では、CERNで加速された18 Neおよび6 Heイオンをそれぞれγ=570およびγ=350に高エネルギー化し、50 ktonの液体アルゴン検出器（Slanic: 1570 km、Pyhäsalmi: 2300 km）および水チェレンコフ検出器（Canfranc: 650 km）を用いた高γのベータビーム構成を提案する。これらの複数の基準長を組み合わせることで、sin²2θ₁₃ > 4 × 10⁻³ の条件下でニュートリノ質量順序の決定が可能となり、保守的なマジック基準長提案と同等の物理的到達可能性を達成する。

ABSTRACT

Within the LAGUNA design study, seven candidate sites are being assessed for their feasibility to host a next-generation, very large neutrino observatory. Such a detector will be expected to feature within a future European accelerator neutrino programme (Superbeam or Beta Beam), and hence the distance from CERN is of critical importance. In this article, the focus is a $^{18}$Ne and $^{6}$He Beta Beam sourced at CERN and directed towards a 50 kton Liquid Argon detector located at the LAGUNA sites: Slanic (L=1570 km) and Pyh\\"{a}salmi (L=2300 km). To improve sensitivity to the neutrino mass ordering, these baselines are then combined with a concurrent run with the same flux directed towards a large Water \\v{C}erenkov detector located at Canfranc (L=650 km). This degeneracy breaking combination is shown to provide comparable physics reach to the conservative Magic Baseline Beta Beam proposals. For $^{18}$Ne ions boosted to $\\gamma=570$ and $^{6}$He ions boosted to $\\gamma=350$, the correct mass ordering can be determined at Slanic for all $\\delta$ when $\\sin^{2}2\ heta_{13}>4\\cdot 10^{-3}$ in this combination.

研究の動機と目的

• LAGUNAデザインスタディの文脈において、18 Neおよび6 Heイオンを用いた高ブーストのベータビームがニュートリノ質量順序とCP対称性破れを決定するための物理的到達可能性を評価すること。
• SlanicおよびPyhäsalmiに設置された50 ktonの液体アルゴン検出器を長基準長ニュートリノ振動実験の遠方検出器として実現可能かどうかを評価すること。
• 短基準長および長基準長の検出器を組み合わせることで、質量順序およびCP位相に関するニュートリノパラメータのデゲネラシーをどのように解消できるかを調査すること。
• マジック基準長でない構成でも、保守的なマジック基準長提案と同等の物理的到達可能性を達成できることを示し、特定の最適基準長に依存する必要を減らすこと。

提案手法

• 1 TeV加速器施設を基盤として、CERNで18 Neおよび6 Heイオンをそれぞれγ=570およびγ=350に加速し、ニュートリノ振動信号をシミュレートする。
• Slanic（1570 km）およびPyhäsalmi（2300 km）における50 ktonの液体アルゴン検出器のニュートリノフラックスおよび検出器応答を、エネルギー分解能および効率に関する保守的仮定を用いてモデル化する。
• 長基準長の液体アルゴン検出器と同時に、Canfranc（650 km）に設置された大規模な水チェレンコフ検出器のデータを組み合わせることで、θ₁₃およびδのデゲネラシーを解消する。
• ビン化されたイベント再構築を用いて信号に含まれる振動構造を抽出し、θ₁₃、δ、およびΔm₃₁²の符号に対する感度を高める。
• バックグラウンドおよびシステム的不確実性を考慮したニュートリノ出現チャンネル（νμ → νe および ν̄μ → ν̄e）のモンテカルロシミュレーションを用いて物理的到達可能性を評価する。
• ブーストエネルギーおよび基準長の変動が、質量順序、CP対称性破れ、およびθ₁₃に対する感度に与える影響を、特にデゲネラシー解消が困難な領域で評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 長基準長の液体アルゴン検出器と短基準長の水チェレンコフ検出器の組み合わせが、保守的なマジック基準長構成と同等のニュートリノ質量順序の感度を達成できるか。
• RQ2 このマルチ基準長構成を用いて、正しいニュートリノ質量順序を決定できるsin²2θ₁₃の最小値は何か。
• RQ3 18 Neイオンのγ=570のブーストが、Slanic基準長におけるCP対称性破れおよび質量順序の感度に与える影響は何か。
• RQ4 Pyhäsalmi基準長（L=2300 km）では、フラックスが低いためθ₁₃およびδに対する感度が著しく低下するが、物質効果が大きいにもかかわらず、その影響はどの程度か。
• RQ5 Canfranc（短基準長）とSlanic・Pyhäsalmi（長基準長）の2基準長を組み合わせた場合、θ₁₃およびδのデゲネラシーを、単一基準長構成よりも効果的に解消できるか。

主な発見

• Slanic（1570 km）地点では、CP位相δの値にかかわらず、sin²2θ₁₃ > 4 × 10⁻³ の条件下で、Slanic・Pyhäsalmi・Canfranc検出器のデータを統合することで、正しいニュートリノ質量順序を決定可能である。
• 複数の基準長を組み合わせることで、保守的なマジック基準長ベータビーム提案と同等の物理的到達可能性を達成でき、特にθ₁₃およびδのデゲネラシーの解消において優れた性能を示す。
• Canfrancの短基準長では、sin²2θ₁₃ ∼ 10⁻⁴ までθ₁₃およびδの明確な測定が可能であり、長基準長データのデゲネラシーを解消するための有効な手段となる。
• Slanic基準長（18 Neのγ=570、6 Heのγ=350）では、sin²2θ₁₃ ∼ 10⁻³ まで非ゼロのθ₁₃を確立でき、CP対称性破れに対しても顕著な感度を示す。
• Pyhäsalmi基準長（L=2300 km）では、フラックスが低いため、sin²2θ₁₃ < 10⁻² では感度が著しく低下するが、物質効果は大きい。小さなθ₁₃では、デジェネレート解が統計的に有意なまま残存する。
• Canfranc（短基準長）とSlanic・Pyhäsalmi（長基準長）の協調作用により、Δm₃₁²の符号を決定するためにはマジック基準長が必須ではないことが示され、代替的な有効な構成が可能である。