[論文レビュー] Hyper-Kamiokande Experiment: A Snowmass White Paper

J. Bian|arXiv (Cornell University)|Mar 3, 2022

Astrophysics and Cosmic Phenomena被引用数 15

ひとこと要約

Hyper-Kamiokande (HK) は、260,000トンの有効体積を持つ次世代の水チェレンコフニュートリノ検出器であり、Super-Kamiokande より 8.4 倍大きな有効体積を有し、20 年間で 3.8 Mton-year の露出を達成する。ニュートリノ振動の測定、プロトン崩壊およびダークマターの探索、太陽、大気圏および超新星ニュートリノの研究が可能となり、特に p→π⁰e⁺ に対して 10³⁵ 年、p→ν̄K⁺ に対して 3×10³⁴ 年のプロトン寿命の感度を示す。DUNE と併せて、CP 違反およびニュートリノ質量順序の解明を支援する。

ABSTRACT

Hyper-Kamiokande (HK) is the next generation underground water Cherenkov detector that builds on the highly successful Super-Kamiokande (SK) experiment. The 260,000-ton detector has an 8.4 times larger fiducial volume than its predecessor. HK's low energy threshold combined with the very large fiducial volume make the detector unique; HK is expected to acquire an unprecedented exposure of 3.8 Mton-year over a period of 20 years starting in 2027. It has an extremely diverse science program including long-baseline neutrino oscillation measurements, nucleon decay searches, atmospheric neutrinos, neutrinos from the sun and supernova explosions, and neutrinos from other astrophysical origins. Like DUNE, the flagship project of the U.S. high-energy physics program, HK measures fundamental properties of neutrinos such as the search for leptonic CP violation and neutrino physics beyond the Standard Model.

研究の動機と目的

• 大容量の水チェレンコフ検出器を用いて、現在の限界を超えてプロトン崩壊の探索を拡張すること。
• 長基準距離および大気圏ニュートリノ測定を通じて、ニュートリノ質量順序および CP 違反を解明すること。
• これまでにない統計的精度で太陽および超新星ニュートリノを研究すること。
• 太陽、地球、銀河ハローからのニュートリノ信号を介してダークマターを探索すること。
• 大気圏ニュートリノにおける ντ 現れる現象を通じて、PMNS 行列のユニタリティを検証すること。

提案手法

• Super-Kamiokande より 8.4 倍大きな有効体積を持つ 260,000 トンの水チェレンコフ検出器を用い、20 年間で 3.8 Mton-year の露出を達成する。
• 295 km の距離に位置する J-PARC から Hyper-K への長基準距離ニュートリノビームを、約 600 MeV の最初の振動最大値に合わせて調整し、感度を最適化する。
• オフアースビーム技術を用いてピークエネルギーでの強度を向上させるとともに、高エネルギー背景を低減する。
• 1 GeV未満では <1%、多エネルギー領域（複数GeV）では約 2% の誤識別率を達成する高い e/µ 分離効率を活用し、信号検出感度を向上させる。
• 加速器、大気圏、天体的ニュートリノデータを統合し、CP 違反および質量順序の感度を向上させる。
• 大規模かつ超高純度な水検出器におけるチェレンコフ光検出および時間情報を利用したイベント再構築とバックグラウンド抑制を実施する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 Hyper-Kamiokande は、p→π⁰e⁺ および p→ν̄K⁺ モードにおけるプロトン崩壊に対してどの程度の感度を達成するか？
• RQ2 Hyper-Kamiokande は大気圏ニュートリノを用いてニュートリノ質量順序を特定できるか？
• RQ3 長基準距離ニュートリノ振動におけるレプトン的 CP 違反に対する Hyper-Kamiokande の期待される感度は何か？
• RQ4 Hyper-Kamiokande と DUNE のデータを併用することで、標準的でないニュートリノ相互作用および新物理に対する制約はどのように改善されるか？
• RQ5 大気圏ニュートリノにおける ντ 現れる現象の期待されるイベントレートは何か？ また、PMNS 行列のユニタリティの検証に利用可能か？

主な発見

• 20 年間の運用後、Hyper-Kamiokande は p→π⁰e⁺ モードで 10³⁵ 年、p→ν̄K⁺ モードで 3×10³⁴ 年のプロトン崩壊感度を達成する。
• 10 年間の運用で、大気圏ニュートリノにおける ντ イベントを約 1,000 個観測可能であり、ντ 截面積およびレプトンのユニタリティに関する高精度な研究が可能になる。
• 20 年分のデータを用いることで、質量順序が既知であると仮定した場合、正の質量順序の場合に 68% 確信区間での δCP の不確実性が 0.15 未満に達する。
• Hyper-Kamiokande の大気圏ニュートリノデータを長基準距離実験に加えることで、パラメータのデゲネラシー領域においても CP 違反の感度が向上する。
• Hyper-Kamiokande は、太陽、地球、銀河ハローからのニュートリノを介した、数GeV 程度の質量範囲におけるダークマターの最も感受性の高い間接的探索を提供する。
• 大気圏ニュートリノにおける ντ 現れる現象は 4.6σ の有意性を達成し、TeV 範囲のエネルギーで τ ニュートリノイベントの存在を確認する。