[論文レビュー] Hyper-Kamiokande Design Report

KE. Abe|Lancaster EPrints (Lancaster University)|May 9, 2018

Neutrino Physics Research参考文献 10被引用数 430

ひとこと要約

Hyper-Kamiokandeは、日本における長基線ニュートリノ振動、陽子崩壊探索、大気および天体ニュートリノ観測のための次世代大規模水チェレンコフ検出器であり、検討中の韓国でのもう1台の検出器を含む。

ABSTRACT

On the strength of a double Nobel prize winning experiment (Super)Kamiokande and an extremely successful long baseline neutrino programme, the third generation Water Cherenkov detector, Hyper-Kamiokande, is being developed by an international collaboration as a leading worldwide experiment based in Japan. The Hyper-Kamiokande detector will be hosted in the Tochibora mine, about 295 km away from the J-PARC proton accelerator research complex in Tokai, Japan. The currently existing accelerator will be steadily upgraded to reach a MW beam by the start of the experiment. A suite of near detectors will be vital to constrain the beam for neutrino oscillation measurements. A new cavern will be excavated at the Tochibora mine to host the detector. The experiment will be the largest underground water Cherenkov detector in the world and will be instrumented with new technology photosensors, faster and with higher quantum efficiency than the ones in Super-Kamiokande. The science that will be developed will be able to shape the future theoretical framework and generations of experiments. Hyper-Kamiokande will be able to measure with the highest precision the leptonic CP violation that could explain the baryon asymmetry in the Universe. The experiment also has a demonstrated excellent capability to search for proton decay, providing a significant improvement in discovery sensitivity over current searches for the proton lifetime. The atmospheric neutrinos will allow to determine the neutrino mass ordering and, together with the beam, able to precisely test the three-flavour neutrino oscillation paradigm and search for new phenomena. A strong astrophysical programme will be carried out at the experiment that will detect supernova neutrinos and will measure precisely solar neutrino oscillation.

研究の動機と目的

• Super-KamiokandeとT2Kを基盤として、ニュートリノ振動、CP対称性の破れ、核子崩壊、天体ニュートリノに対処するため、より大きく、より感度の高い水チェレンコフ検出器の建設を動機づける。
• J-PARCビーム、近接/中間検出器、検出器洞窟、タンク設計、水システム、フォトセンサを含む実験構成を説明する。
• Hyper-Kamiokandeのソフトウェア、キャリブレーション、背景推定、計算ニーズを outlineする。
• 加速器ベース、、大気、太陽、天体ニュートリノにわたる物理的潜在能力、および韓国での検出器の可能性と日本での追加の第二タンクのオプションを提示する。

提案手法

• 40%の光検出効率で、60 m高さ、74 m直径の二つの円筒型タンクを持つ設計を提案する。
• MW級へアップグレードされたJ-PARCビームを近接検出器群（ND280スイート、中間検出器）とオフ軸ビーム構成と統合する。
• 洞窟、水の浄化/循環、フォトセンサ（内検出器/外検出器）、電子機器、DAQ、キャリブレーション、ソフトウェア（WCSim、FiTQun、BONSAI）を含む完全な検出器基盤を開発する。
• シミュレーションとデータ処理のための背景（ラドン、ムーオンスパレーション、中性子）と計算ニーズを評価する。
• ビームと大気ニュートリノを含むニュートリノ振動、核子崩壊、太陽・天体ニュートリノ、暗黒物質信号、潜在的な第二検出器のための物理到達範囲を提供する。
• 物理出力を最大化するために、T2K、Super-K、DUNEとの相乗効果について論じる。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 Hyper-Kamiokandeは、1.3 MWビームと2.5度オフ軸構成で10年間観測した場合、レプトンCP除去対称性の感度をどれだけ得られるか？
• RQ2 Hyper-Kamiokandeはビームと大気データを組み合わせることでニュートリノ質量階の決定とθ23およびΔm^2_32の精練を行えるか？
• RQ3 主要チャネル（p→e+π0、p→ν̄K+など）における核子崩壊の寿命をどれくらいの程度まで探れるか？
• RQ4 Hyper-Kamiokandeは太陽ニュートリノ、超新星ニュートリノ、 relicニュートリノ、その他の天体ニュートリノの源をどれだけ観測し、新しい物理をどれだけ制約できるか？
• RQ5 韓国の第二検出器および感度を高める追加のタンクの設計と性能要件は何か？

主な発見

• Hyper-Kamiokandeは、仮定されたパラメータに対して、ほとんどのδCP値でδCPを23度未満の精度で決定することを目指している。
• 実験は、指定された条件下でδCP空間の76%でCP対称性破れの>3σの証拠、δCP空間の57%で>5σの証拠を見込んでいる。
• 1.9 Mton·yearsの曝露で、p→e+π0、p→ν̄K+といった主要チャネルの核子崩壊寿命の寿命感度を10^34–10^35年程度に達する見込み。
• 大気およびビーム＋大気分析の年次感度は、10年間で質量階の決定とθ23のオクタン分解の解決を改善する見込み。
• 天体ニュートリノ計画には、太陽ニュートリノ、超新星ニュートリノ、 relicニュートリノ、およびWIMP関連信号が含まれ、Hyper-Kamiokandeの低エネルギー閾値と大規模ターゲット質量を活用する。