[論文レビュー] Ionization cooled ultra pure beta-beams for long distance neu-e to neu-mu transitions, theta13 phase and CP-violation

Carlo Rubbia|ArXiv.org|Sep 22, 2006

Neutrino Physics Research被引用数 15

ひとこと要約

本論文は、コンactなリングに完全にイオン化されたB-8イオンを貯蔵することで、長基準距離のオシレーショントランスミッション実験向けに超純粋な電子ニュートリノビームを生成する、画期的なイオン化冷却付きベータビームの概念を提案する。本研究では、このようなソースに50–100トンの液体アルゴンTPC検出器を組み合わせることで、sin²(2θ₁₃)のバックグラウンドフリーな感度が6.0 × 10⁻⁴まで達成可能であり、現在の制限を著しく上回り、CP対称性破れおよびθ₁₃位相の高精度測定を可能にすることが示された。

ABSTRACT

The key process is the observation of tiny oscillation mixing between numu and nue related to so far unknown theta13 amplitude, at distances corresponding to an invariant neutrino flight path around about 2.0 MeV/km. Zucchelli [12] has proposed the production of very pure neue beams (beta beams), in which relativistic radio-nuclides are stored in a high energy storage ring and decay in a long straight section pointing toward the neutrino detector far away. This method produces ultra pure anti-neue (He-6) and neue (Ne-18) with a negligible numu contamination (10-5). A novel kind of beta element production has been recently proposed [15] in which slow (v about 0.1 c) fully ionized ions are stored in a very small storage ring. Products like the isomeric doublet Li-7(d,p) Li-8 and Li-6(He3,n) B-8 are stopped in some foils few micron thick, from which they quickly diffuse as neutral atoms. The improvements are shown to be considerable. An ion source, a chain of several accelerators in cascade and a high energy storage/decay ring can produce a B-8 induced nue spectrum which has as much as 7.7 times higher energy than the one from He-6 induced anti-nue for a given magnetic rigidity of the storage ring. At a given neutrino energy, the CC cross sections for nue are about 3 times larger than the ones of anti-nue while the NC/CC inelastic pion background faking muons is about 3 times smaller. An optimal neu-e source might be fully ionized B-8 from the 120 GeV Main Energy Injector at FNAL, followed by a decay storage ring and a neutrino fly path of about 700-800 km. As detector we consider a LAr TPC with a fiducial mass of 50 to 100 kton. Such a technology should permit to detect a background free signal for sin2(2theta13) as small as about 6.0 x 10-4. By comparison, the present experimental limit is < 0.14.

研究の動機と目的

• 高純度で長基準距離のニュートリノビーム源を構築し、高感度で見過ごされがちなθ₁₃混合角を検出すること。
• 既存のベータビーム設計の限界を克服し、ニュートリノビームの不純物を低減するとともに、信号対バックグラウンド比を向上させること。
• sin²(2θ₁₃)の小さな値に対する感度を達成することで、ニュートリノ系におけるCP対称性破れの測定を可能にすること。
• 高強度でエネルギーが集中したニュートリノフラックスとエネルギースペクトルを実現するため、イオン化冷却と完全にイオン化されたB-8イオンをコンパクトな貯蔵リングに利用する可能性を検討すること。
• 700–800 kmの基準距離と50–100トンの液体アルゴンTPC検出器を組み合わせることで、0.1%未満のオシレーショングの信号をバックグラウンドフリーに検出可能であることを示すこと。

提案手法

• 高エネルギーで小型の貯蔵リングに完全にイオン化されたB-8イオンを貯蔵し、β⁻崩壊によって純粋な電子ニュートリノビームを生成する。
• イオン化冷却を用いてイオンビームを閉じ込め・焦点を合わせ、発散角を低減させ、高強度で低発散のニュートリノビームを実現する。
• リングの長大な直線部で貯蔵されたB-8イオンが崩壊することで、700–800 kmの基準距離にわたり方向性を持つニュートリノビームが生成される。
• νₑのcharged-current断面積が反ニュートリノν̄ₑよりも約3倍大きく、中性荷電流不弾性パイオンバックグラウンドが約3倍小さいことを利用して、信号の可視性を向上させる。
• 加速器の段階的連鎖と高エネルギー貯蔵リングを用いることで、同じ磁気剛性下でヘリウム-6ベースのベータビームに比べ、最大7.7倍高いエネルギーのニュートリノエネルギースペクトルを達成できる。
• 50–100トンの有効質量を持つ液体アルゴンタイムプロジェクションチェンバー（LAr TPC）を導入し、νₑ → νμ遷移のほぼバックグラウンドフリーな検出を実現する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 完全にイオン化されたB-8ベータビーム源は、sin²(2θ₁₃) < 0.14 の条件下でνₑ → νμオシレーショングを検出可能な十分な純度と強度を達成できるか？
• RQ2 イオン化冷却とコンパクトな貯蔵リングを用いることで、従来の設計に比べて、ベータビームニュートリノ源の性能がどのように向上するか？
• RQ3 この新規なベータビーム構成を用いたバックグラウンドフリーなLAr TPC検出器で、sin²(2θ₁₃)の最小検出可能な値は何か？
• RQ4 B-8ベースのニュートリノスペクトルは、He-6ベースのスペクトルと比較して、エネルギー、フラックス、および信号対バックグラウンド比の観点でどのように異なるか？
• RQ5 この装置設定により、ニュートリノ混合行列におけるCP対称性破れ位相を高精度で測定可能か？

主な発見

• 提案されたB-8ベータビーム源は、同じ磁気剛性下でヘリウム-6ベースのソースに比べ、最大7.7倍高いエネルギーのニュートリノエネルギースペクトルを生成する。
• νₑのcharged-current断面積は反ニュートリノν̄ₑよりも約3倍大きいことから、信号検出効率が向上する。
• ミューオン信号を模倣する可能性のある中性荷電流不弾性パイオンバックグラウンドは、νₑに対して反ニュートリノν̄ₑに比べて約3倍小さいため、誤検出が低減する。
• 50–100トンの液体アルゴンTPC検出器を用いることで、sin²(2θ₁₃)が6.0 × 10⁻⁴にまで低くても、νₑ → νμ遷移のバックグラウンドフリーな検出が可能である。
• 現在の実験的限界値は sin²(2θ₁₃) < 0.14 であり、本装置はその感度を10倍以上向上させる。
• フェルミラブの120 GeVメインインジェクタを経て、崩壊貯蔵リングと700–800 kmの基準距離を組み合わせた最適な構成が、高精度ニュートリノオシレーショントランスミッション測定への実現可能性のある道筋であると特定された。