[論文レビュー] Letter of Intent for KASKA: High Accuracy Neutrino Oscillation Measurements with anti-nu_es from Kashiwazaki-Kariwa Nuclear Power Station

M. Aoki, Kazuhiko Akiyama+35 more|ArXiv.org|Jul 11, 2006

Neutrino Physics Research参考文献 14被引用数 6

ひとこと要約

KASKA実験は、日本の柏崎・刈羽原子力発電所から発生する反電子ニュートリノ（$ olimits\bar{\nu}_e$）を用いて、ニュートリノ振動パラメータの高精度測定を提案している。複数の検出器を異なる基準距離に配置することで、原子炉ニュートリノの放射束を活用し、系統的不確かさを1%未満に抑える。これにより、CHOOZ実験などの先行研究と比較して、$ olimits\sin^2 2\theta_{13}$への感度を10倍向上することを目的としている。

ABSTRACT

One of the current most-demanded experiments in neutrino physics is to measure the last mixing angle theta_13. KASKA is an experiment to detect new type of reactor neutrino oscillation and to measure sin^2 2theta_13 accurately using the world's most powerful nuclear reactor complex; Kashiwazaki-Kariwa nuclear power station. KASKA utilizes near and far detectors of identical structure at nearly optimized baselines and underground depths to cancel most of the systematics and reduce backgrounds. The expected sensitivity is sin^2 2theta_13~0.015, which is 10 times better sensitivity than the current upper limit measured by CHOOZ reactor experiment. Extension of KASKA project has potential to accurately measure other anti-nu_e oscillation parameters. Intense and precisely known neutrino flux measured by the KASKA-theta_13 phase can be used to pin down sin^2 2theta_12 at a baseline ~50km and to measure Dm^2_13 for the first time at a baseline ~5km. This Letter of Intent describes physics motivation, detector system and expected performance of the KASKA experiment.

研究の動機と目的

• 現在のCHOOZ限界よりも10倍高い感度で$\nolimits\sin^2 2\theta_{13}$を測定すること。
• 原子炉ニュートリノを用いて$\nolimits\theta_{12}$および$\nolimits\Delta m_{13}^2$の高精度測定を達成すること。
• 加速器実験と連携することで、非ゼロの$\nolimits\delta_{\text{CP}}$の発見や、$\nolimits\theta_{23}$の八重性の解消を可能にすること。
• 近接・遠方検出器のキャンセレーションと高度な検出器キャリブレーションにより、ニュートリノ振動測定における系統的不確かさを最小限に抑えること。
• 異なる基準距離に複数の検出器を設置することで、振動パラメータへの感度を向上させること。

提案手法

• 柏崎・刈羽原子力発電所の7基の原子炉を、総熱出力約10 GWの高強度・低エネルギーの$\nolimits\bar{\nu}_e$源として利用する。
• 近接・中間・遠方の異なる基準距離に3つの検出器を配置し、基準距離依存の振動効果を活用するとともに、近接・遠方検出器による系統的誤差のキャンセレーションを実現する。
• Gdドープした標的領域を有する液体シンチレーション検出器を用い、逆ベータ崩壊（$\nolimits\bar{\nu}_e + p \to e^+ + n$）により$\nolimits\bar{\nu}_e$を検出する。Gdにおける中性子捕獲による特徴的な約8 MeVのガンマ線カスケードを用いる。
• 5領域構造（領域I：標的、領域II：ガンマ線キャッチャー、領域III/IV：バッファーオイル、領域V：宇宙線遮断）を採用し、背景を低減する。
• Wireまたはロボットアームを用いたイン・サイトキャリブレーションを実施し、$^{60}$Co、$^{241}$Am-Be、$^{252}$Cfを用いてエネルギー・時間・効率のキャリブレーションを実施する。
• 正確な時間測定と位置再構築により、$\sim$30 μsの遅れを特徴として$\nolimits e^+$と$\nolimits n$の信号を区別し、誤検出背景を低減する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 現在のCHOOZ限界よりも10倍高い感度で$\nolimits\sin^2 2\theta_{13}$を測定できるか？
• RQ2 原子炉ニュートリノを用いた$\nolimits\bar{\nu}_e$振動測定において、達成可能な系統的不確かさはどの程度か？
• RQ3 加速器実験データと組み合わせた場合、KASKA実験は$\nolimits\theta_{23}$の八重性の解消を可能にするか？
• RQ4 近接・遠方検出器の比較により、原子炉ニュートリノ実験における系統的誤差はどの程度効果的にキャンセル可能か？
• RQ5 この多基準距離アプローチにより、$\nolimits\Delta m_{13}^2$および$\nolimits\theta_{12}$の測定精度はどの程度達成可能か？

主な発見

• $\nolimits\sin^2 2\theta_{13}$測定における総系統的不確かさは1.0%未満であると推定され、さらなる改善で0.5%まで低下する可能性がある。
• 検出器関連の系統的不確かさ（例：$\nolimits e^+$エネルギーカット、中性子捕獲効率、時間カット）の合計寄与は0.8%未満と予想され、CHOOZ実験の1.76%と比較して顕著に低い。
• 原子炉出力の測定不確かさは、近接・遠方基準距離のキャンセレーションと安定した燃料組成のおかげで、総系統的誤差のうちたった0.2%にとどまる。
• 熱出力と基準距離比の違いに起因するニュートリノフラックスの不確かさは、推定0.14%の系統的誤差をもたらす。
• シンチレーション信号の時間分解能とシステムクロックの同期が、時間関連誤差を$O(0.03\%)$に制限し、これは無視できる程度である。
• 宇宙線、スパラレーション、高速中性子による背景は、適切なシールドとバッファーシステムにより、総不確かさの0.6%未満に低減される見込みである。