[論文レビュー] KPipe: a decisive test for muon neutrino disappearance

Spencer Axani, Gabriel Collin+4 more|arXiv (Cornell University)|Oct 23, 2015

Neutrino Physics Research参考文献 3被引用数 4

ひとこと要約

KPipeは、J-PARCのMLFに120 mの1つの検出器を設置し、陽子崩壊から生じる236 MeVの単エネルギー性の$\olde_{\mu}$を用いてミューオンニュートリノの消失を測定する。世界で最も強い236 MeVの単エネルギー性$\olde_{\mu}$源から得られる、電荷現在反応率を基準距離の関数としてマッピングすることで、3年間で現在のグローバル最良適合のステルレニュートリノパラメータに対して5$σ$の感度を達成し、遮断限界を1桁分拡張する。

ABSTRACT

The short baseline neutrino oscillation experiment, KPipe, is designed to perform a sensitive search for muon neutrino disappearance in the current global fit allowed regions for sterile neutrinos. KPipe is to be located at the Material Life Science Experimental Facility at J-PARC: the world's most intense source of 236~MeV, monoenergetic muon neutrinos. By measuring the $ν_μ$ charged current interaction rate along a 120~m long, 3~m diameter detector, KPipe can map out short baseline oscillations over an L/E of 0.14 to 0.64~m/MeV. Using a long, single detector to measure the $ν_μ$ interaction rate as a function of distance largely eliminates the systematic uncertainties associated with cross sections and fluxes. In this paper, we show that KPipe can cover the current global best fit to 5$σ$ after 3 years of running.

研究の動機と目的

• 短基準距離異常に関連するパrameter空間において、ミューオンニュートリノの消失を決定的なテストすること。
• 観測された短基準距離異常（例：LSND、MiniBooNE）とnull結果（例：KARMEN、ミューオン消失探索）との間の矛盾を解消すること。
• 1つの検出器を用いて、高精度に$\nolde_{\mu}$の消失を測定することで、ステルレニュートリノ仮説を検証すること。

提案手法

• J-PARC MLF施設を活用し、$K^{+} \rightarrow \mu^{+} \nu_{\mu}$の静止崩壊から生じる、世界で最も強い236 MeVの単エネルギー性$\nolde_{\mu}$源を提供する。
• 高密度ポリエチレンで作られた液体シンチレーターからなる、120 mの長さ、3 mの直径を持つ1つの検出器を設置し、ファイドゥーシャライゼーションおよび宇宙線遮断のための二重光学的分離された体積を備える。
• 距離（L/E：0.14から0.64 m/MeV）の関数として、炭素核に対する$\nolde_{\mu}$の電荷現在反応率を測定することで、断面積および強度関連の系統的不確実性を排除する。
• 0.4%のフォトカソード被覆率を持つシリコンフォトマルチプライヤー（SiPMs）を用い、0.8 mの分解能で反応点を再構築し、時間的および空間的一致を用いてミューオンおよびミケル電子を同定する。
• 相関する系統的不確実性を除外するため、シェイプオンリーチ$χ^{2}$解析を、Neymanの$χ^{2}$規約に従って実施する。
• Geant4ベースのRATとCRYを用いて信号およびバックグラウンド率をシミュレーションし、カット後で75%の信号効率と27 Hzの残存宇宙線バックグラウンドを達成する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 1つの検出器、長基準距離実験は、ステルレニュートリノパラメータ空間における$\nolde_{\mu}$の消失に対して決定的な感度を達成できるか？
• RQ2 KPipeは、MiniBooNEおよびSciBooNEと比較して、ステルレニュートリノ混合の遮断限界を1桁分拡張できるか？
• RQ3 3年間の運転後、KPipeは現在のグローバル最良適合パラメータに対して$\nolde_{\mu}$の消失を5$σ$の有意水準で測定できるか？
• RQ4 この装置でミューオンニュートリノの消失が観測されない場合、LSNDおよびMiniBooNEの異常を説明するモデルを排除または制限できるか？

主な発見

• 3年間の運転後、KPipeは$\nolde m^{2}_{41} = 0.93$ eV$^{2}$および$\sin^{2}(2\theta_{\mu\mu}) = 0.11$における現在のグローバル最良適合パラメータに対して、$\nolde_{\mu}$の消失で5$σ$の感度を達成できる。
• KPipeは、MiniBooNEおよびSciBooNEと比較して、ステルレニュートリノ混合の実験的遮断領域を1桁分拡張できる。
• 頂点再構築、時間的および空間的一致カットを経た後、$\nolde_{\mu}$CC反応に対して75%の信号効率を達成する。
• 高エネルギー・低エネルギーおよび10 cmの遮断カットを経た後、残存宇宙線バックグラウンドは27 Hzにまで低下し、信号イベントとの一致率はたった2.6%にまで減少する。
• 頂点再構築分解能は0.8 mであり、検出器に沿った振動波の正確なマッピングが可能である。
• Neymanの$χ^{2}$規約に従うシェイプオンリーリング解析により、相関する系統的不確実性を除外した、頑健な感度が確認された。