[論文レビュー] LAr1-ND: Testing Neutrino Anomalies with Multiple LArTPC Detectors at Fermilab

C. Adams, Constantinos V Andreopoulos+48 more|arXiv (Cornell University)|Sep 30, 2013

Particle Detector Development and Performance被引用数 6

ひとこと要約

LAr1-NDは、フェルミラブにおける液体アルゴン時間投影連合（LArTPC）を用いた近接検出器を提案し、短基準長ニュートリノ異常を解明することを目的としている。特に、MiniBooNEの低エネルギー電子過剰と、ステアーリルニュートリノの振動の可能性を対象としている。100 mの距離で未振動のニュートリノフラックスを測定することで、MicroBooNEの信号を高精度に解釈可能とし、Δm² = 1 eV²領域において数パーセントの水準までνμの消失に対して5σの感度を達成する。

ABSTRACT

This white paper describes LAr1-ND and the compelling physics it brings first in Phase 1 and next towards the full LAr1 program. In addition, LAr1-ND serves as a key step in the development toward large-scale LArTPC detectors. Its development goals will encompass testing existing and possibly innovative designs for LBNE while at the same time providing a training ground for teams working towards LBNE combining timely neutrino physics with experience in detector development.

研究の動機と目的

• 高精度なLArTPC技術を用いて未振動のニュートリノフラックスを測定することで、MiniBooNEの低エネルギーνe過剰を明確に解明すること。
• 短基準長においてνμの消失および中性荷電対称性相互作用を用いて、ステアーリルニュートリノの存在を検証すること。
• LAr1プログラム全体における重要な近接検出器としての役割を果たし、MicroBooNEの信号を解釈可能とするとともに、反ニュートリノモードへの感度を拡張すること。
• 将来的なLBNEおよびDUNE実験に向けた大規模LArTPC検出器の技術開発プラットフォームとしての役割を果たすこと。
• 広範なΔm²範囲、特に1 eV²領域において、形状のみの感度を用いてνμの消失を高統計的パワーで測定可能とすること。

提案手法

• ブースター・ニュートリノビームから100 m離れた地点に、1キロトン規模のLArTPC検出器を設置し、高分解能ワイヤー読み出しを用いてエネルギーおよびトラック再構築を高精度で行う。
• 検出器の細かいサンプリングおよびカロリメトリックな能力を活用して、高分解能でのニュートリノ反応測定を実現し、粒子同定およびバックグラウンド抑制を可能にする。
• LAr1-NDのデータをMicroBooNE（約300 m）および将来の遠方検出器（約700 m）のデータと組み合わせ、三地点の振動測定を実施し、系統的不確実性を制約する。
• 形状のみの感度解析を用いてνμの消失を評価し、三つの基準長における振動確率の変化を活用して、新しい物理とバックグラウンドを区別する。
• 詳細なモンテカルロ法を用いて検出器応答およびニュートリノフラックスをシミュレートし、ステアーリルニュートリノモデルへの感度を予測する。
• 近接検出器を用いて中性荷電対称性相互作用を測定し、電荷対称性チャネルに依存しない、アクティブからステアーリルへの振動を独立して探査する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 LAr1-NDは、高精度で未振動のニュートリノフラックスを測定することで、MiniBooNEの低エネルギーνe過剰を明確に解明できるか？
• RQ2 LAr1-ND + MicroBooNE + 遠方検出器の構成が、1 eV²領域におけるステアーリルニュートリノのνμ消失に対してどの程度の感度を示すか？
• RQ3 三検出器構成は、形状のみの解析を用いて、振動信号とバックグラウンドまたは新しい物理を区別できるか？
• RQ4 LAr1-NDは、νμの消失および出現測定における系統的不確実性をどの程度効果的に制約できるか？
• RQ5 LAr1-NDは、反ニュートリノモードの測定をどの程度効果的に可能とし、ν̄μ系における将来的なステアーリルニュートリノ研究をどの程度拡張できるか？

主な発見

• LAr1-NDは、Δm² = 1 eV²領域において、数パーセントの水準までνμの消失に対して5σの感度を達成し、ステアーリルニュートリノモデルの明確な検証が可能となる。
• 検出器は年間60万件以上のニュートリノ反応を記録すると予想され、ニュートリノ-アルゴン断面積測定に高統計的データを提供する。
• 100 mの基準長において、LAr1-NDは、顕著な振動が発生する前に未振動のニュートリノフラックスを最適にサンプリングできる位置に配置されており、系統的不確実性が低減される。
• 三検出器構成（LAr1-ND、MicroBooNE、遠方検出器）により、形状のみの感度が得られ、大きなΔm²値（≥10 eV²）に対しても顕著な感度が回復する。
• LAr1-NDは、MicroBooNEの信号（電子または光子由来）を解釈する上で、初期のニュートリノフラックスを測定するという重要な役割を果たす。
• このプログラムにより、ニュートリノおよび反ニュートリノモードにおけるνe出現の感度が得られ、フェルミラブの短基準長ニュートリノ計画の範囲が拡張される。