[論文レビュー] Letter of Intent for Double-CHOOZ: a Search for the Mixing Angle Theta13

F. Ardellier, И. Р. Барабанов+50 more|arXiv (Cornell University)|May 14, 2004

Neutrino Physics Research参考文献 6被引用数 70

ひとこと要約

Double-CHOOZは、2基の原子炉から150 mおよび1.05 kmの距離に配置された同一の検出器を用いて、反ニュートリノの振動を測定する原子炉ニュートリノ実験を提案している。異なる距離での反ニュートリノ生成率を比較することで、3年間で$σ(\sin^2(2\theta_{13})) \approx 0.03$の感度を達成することを目的としており、90%信頼水準でのCHOOZの限界$\sin^2(2\theta_{13}) < 0.2$を著しく上回る。

ABSTRACT

Tremendous progress has been achieved in neutrino oscillation physics during the last few years. However, the smallness of the $ 13$ neutrino mixing angle still remains enigmatic. The current best constraint comes from the CHOOZ reactor neutrino experiment $\s2t13 &lt; 0.2$ (at 90% C.L., for $\adm2=2.0 10^{-3} ext{eV}^2$). We propose a new experiment on the same site, Double-CHOOZ, to explore the range of $\s2t13$ from 0.2 to 0.03, within three years of data taking. The improvement of the CHOOZ result requires an increase in the statistics, a reduction of the systematic error below one percent, and a careful control of the cosmic ray induced background. Therefore, Double-CHOOZ will use two identical detectors, one at $\sim$150 m and another at 1.05 km distance from the nuclear cores. The plan is to start data taking with two detectors in 2008, and to reach a sensitivity of 0.05 in 2009, and 0.03 in 2011.

研究の動機と目的

• 反ニュートリノを用いた高精度なニュートリノ混合角$\theta_{13}$の測定を目的とする。
• 90%信頼水準でのCHOOZ実験の限界$\sin^2(2\theta_{13}) < 0.2$を、0.03まで測定範囲を拡大することで改善することを目的とする。
• 二重検出器設計により、宇宙線誘発背景を制御し、システムティック不確実性を1%未満に抑えること。
• 2009年までに$\sin^2(2\theta_{13}) \approx 0.05$、2011年までに$\approx 0.03$の感度を達成すること。
• T2Kのような加速器ベースのスーパービーム実験と併せて、$\theta_{13}$に関するグローバルな制約を強化すること。

提案手法

• CHOOZ原子炉から150 mの近接位置と1.05 kmの遠距離に、同一の液体シンチレーション検出器を設置する。
• 近接検出器と遠距離検出器の間の二重微分的イベントレート比を用いて、反ニュートリノ生成率と検出効率に関するシステムティック不確実性を相殺する。
• ジスチルジンドープド内ターゲット（12.67 m³）と非発光性の外側ガンマキャッチャー（28.1 m³）を備えた二重容器構造を採用し、逆ベータ崩壊による即時陽電子と遅延中性子信号を検出する。
• 光出力とタイミングカットに基づく有効体積定義を適用し、バックグラウンドを低減し、信号純度を向上させる。
• ガンマ線、陽電子、中性子源を用いた包括的なキャリブレーションシステムを導入し、エネルギー応答とタイミング分解能をモニタリングする。
• 絶対正規化（$\sigma_{\text{abs}}$）、相対正規化（$\sigma_{\text{rel}}$）、スペクトル形状（$\sigma_{\text{shp}}$）、エネルギースケール（$\sigma_{\text{scl}}$）の各誤差項を別々に扱う$\chi^2$ベースの解析を適用し、システムティック不確実性を定量的に評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 反ニュートリノを用いた実験で、$\sin^2(2\theta_{13}) = 0.03$未満の感度を達成できるか。
• RQ2 二重検出器設計とキャリブレーションにより、原子炉ニュートリノ実験におけるシステムティック不確実性をどの程度低減できるか。
• RQ3 アクティブおよびパッシブシールドとタイミング相関を用いて、宇宙線誘発バックグラウンドをどの程度効果的に抑制できるか。
• RQ4 加速器ベースの実験と比較して、$\sin^2(2\theta_{13})$-$\Delta m^2$平面上での$\theta_{13}$の発見可能性はどの程度か。
• RQ5 相対正規化不確実性を1%未満に制御できるか。

主な発見

• Double-CHOOZは2009年までに90%信頼水準で$\sin^2(2\theta_{13}) \approx 0.05$の感度を達成すると予想され、2011年までにさらに改善され$\approx 0.03$に達する。
• 二重検出器構成により、特に相対正規化に関するシステムティック不確実性が相殺され、$\theta_{13}$測定への影響が低減される。
• 実験はシステムティック誤差を1%未満に制御する設計となっており、立体角、陽子数、中性子および陽電子検出効率に関する詳細な誤差予算が策定されている。
• 3年間のデータ取得で$\sigma(\sin^2(2\theta_{13})) \approx 0.03$の感度に達し、CHOOZの限界$< 0.2$を著しく上回る。
• $\theta_{13}$の発見可能性はT2Kと同等であり、特に$\sin^2(2\theta_{13})$-$\delta$平面上でCP違反パラメータに競争力のある感度を示す。
• 内部および外部の放射能、および宇宙線ミューオンに起因するバックグラウンドは、シールド、有効体積カット、タイミング相関を用いて推定・低減されており、ミューオン由来の中性子生成レートは1検出器あたり$< 10^{-3}$ Hzと推定されている。