[論文レビュー] LBNO-DEMO: Large-scale neutrino detector demonstrators for phased performance assessment in view of a long-baseline oscillation experiment

L. Agostino, B. Andrieu+113 more|arXiv (Cornell University)|Sep 14, 2014

Neutrino Physics Research被引用数 41

ひとこと要約

本論文は、将来の長基準長ニュートリノ振動実験のための段階的性能評価を目的とした大規模液体アルゴンニュートリノ検出器デモ装置LBNO-DEMOを提示する。シミュレートされたミュオン崩壊を用いてニュートリノの相互作用率、エネルギースペクトル、および断面積測定を評価し、NuSTORMビームの特性が明確で統計的精度が高いため、系統的不確実性が小さいという点で、$ν_e$および$ar{ν}_e$の断面積測定が高精度で可能であることを示している。

ABSTRACT

In June 2012, an Expression of Interest for a long-baseline experiment (LBNO) has been submitted to the CERN SPSC. LBNO considers three types of neutrino detector technologies: a double-phase liquid argon (LAr) TPC and a magnetised iron detector as far detectors. For the near detector, a high-pressure gas TPC embedded in a calorimeter and a magnet is the baseline design. A mandatory milestone is a concrete prototyping effort towards the envisioned large-scale detectors, and an accompanying campaign of measurements aimed at assessing the detector associated systematic errors. The proposed $6 imes 6 imes 6$m$^3$ DLAr is an industrial prototype of the design discussed in the EoI and scalable to 20 kton or 50~kton. It is to be constructed and operated in a controlled laboratory and surface environment with test beam access, such as the CERN North Area (NA). Its successful operation and full characterisation will be a fundamental milestone, likely opening the path to an underground deployment of larger detectors. The response of the DLAr demonstrator will be measured and understood with an unprecedented precision in a charged particle test beam (0.5-20 GeV/c). The exposure will certify the assumptions and calibrate the response of the detector, and allow to develop and to benchmark sophisticated reconstruction algorithms, such as those of 3-dimensional tracking, particle ID and energy flow in liquid argon. All these steps are fundamental for validating the correctness of the physics performance described in the LBNO EoI.

研究の動機と目的

• 将来の長基準長振動実験に向けた段階的性能評価のための、大規模液体アルゴンニュートリノ検出器プロトタイプの開発および試験。
• NuSTORMを用いたビームを用いた$ν_e$および$\bar{ν}_e$断面積測定の可能性を評価すること。
• 特に$\nu_e/\nu_\mu$断面積比に注目し、ニュートリノフラックスおよび相互作用率における系統的不確実性を評価すること。
• LAGUNA/LBNO冷凍タンク設計へのフルスケールAPA（アクティブプロポーションカウンター）検出器の統合を検討すること。

提案手法

• 10^{16}個のミュオン崩壊をシミュレートして、液体アルゴン検出器内での$\nu_\mu$、$\bar{\nu}_e$、$\bar{\nu}_\mu$、$\nu_e$の相互作用に必要なニュートリノフラックスを生成する。
• 詳細なモンテカルロシミュレーションを用いて、異なるニュートリノフレーバーのイベントレート、平均ニュートリノエネルギー、および相互作用タイプ（包括的、CC、CCQE）を予測する。
• 6×6×6 m³の冷凍タンク容器内に、フルスケールのLBNEスタイルのAPA検出器（7.20 m × 7.48 m × 5.16 m）の設計および統合に関する調査を行う。
• 高電圧通路、アノードプレーン、熱絶縁支持キャップを含む、機械的および電気的統合の課題を評価する。
• エネルギー、フラックス、ニュートリノ対反ニュートリノ比が明確に定義されたNuSTORMビームとCENFビームの比較を実施する。
• 予想されるイベントレートおよび平均エネルギーの比較：$\nu_\mu$相互作用では2.82 GeVの平均エネルギーで97,251イベント、$\bar{\nu}_e$では2.51 GeVで34,794イベント。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 大規模液体アルゴン検出器デモ装置は、将来の長基準長ニュートリノ振動実験の性能を正確に再現できるか？
• RQ2 10^{16}個のミュオン崩壊から得られる$\nu_\mu$、$\bar{\nu}_e$、$\bar{\nu}_\mu$、$\nu_e$の相互作用における予想されるイベントレートおよび平均ニュートリノエネルギーは何か？
• RQ3 NuSTORMビームとCENFビームの間で、ニュートリノフラックスおよび断面積測定における系統的不確実性はどのように異なるか？
• RQ4 6×6×6 m³のLAGUNA/LBNO冷凍タンクにフルスケールのLBNEスタイルのAPA検出器を統合することは可能か？
• RQ5 $\nu_e/\nu_\mu$断面積の違いが、CP対称性破れおよび質量階層測定の発見可能性に与える影響は何か？

主な発見

• 10^{16}個の$\mu^{-}$崩壊に対して、$\nu_\mu$相互作用の期待イベント数は97,251で平均エネルギーは2.82 GeV、$\bar{\nu}_e$は34,794イベントで平均エネルギー2.51 GeVである。
• $\nu_\mu$のCCQE相互作用の割合は、包括的サンプルの24.0%であり、平均エネルギーは2.60 GeVである。
• 10^{16}個の$\mu^{+}$崩壊に対して、$\bar{\nu}_\mu$相互作用は40,328イベント（平均エネルギー2.86 GeV）、$\nu_e$相互作用は86,074イベント（平均エネルギー2.46 GeV）である。
• NuSTORMビームは、CENFと比較して$\nu_e$および$\bar{\nu}_e$相互作用のサンプルがはるかに大きく、明確に定義されており（$\bar{\nu}_e$ CCQEで最大32%）、CENFでは$\nu_e$フラックスが合計の1.7%にとどまる。
• カスタム製の取り外し可能な熱絶縁キャップを含むわずかな改造で、LBNE APA検出器をLAGUNA/LBNO冷凍タンクに統合することが可能である。
• NuSTORMビームの明確なエネルギースケールおよびニュートリノ対反ニュートリノ比のおかげで、系統的不確実性が著しく低減され、CP対称性破れおよび質量階層研究に不可欠な$\nu_e/\nu_\mu$断面積差の高精度測定が可能になる。