[論文レビュー] Letter of Intent to Construct a nuPRISM Detector in the J-PARC Neutrino Beamline

S. Bhadra, A. Blondel+48 more|arXiv (Cornell University)|Dec 9, 2014

Neutrino Physics Research参考文献 1被引用数 30

ひとこと要約

nuPRISM共同研究グループは、J-PARCニュートリノビームラインに水チェレンコフ検出器を設置し、1°から4°のオフアクシス角度の範囲で$ν_\mu$のcharged-current反応から生成されるレプトンの運動量を直接測定することで、ニュートリノエネルギー分布をモデルに依存しない形で決定し、不安定なニュートリノ-核子反応モデルへの依存度を低減する。この手法により、振動パラメータ、ステアーリルニュートリノ振動、水に対するニュートリノ断面積の高精度な制約が得られ、T2Kの$\delta_{CP}$および$\nu_e$出現への感度が顕著に向上する。

ABSTRACT

As long-baseline neutrino experiments enter the precision era, the difficulties associated with understanding neutrino interaction cross sections on atomic nuclei are expected to limit experimental sensitivities to oscillation parameters. In particular, the ability to relate experimental observables to neutrino energy in previous experiments has relied solely on theoretical models of neutrino-nucleus interactions, which currently suffer from very large theoretical uncertainties. By observing charged current $ν_μ$ interactions over a continuous range of off-axis angles from 1 to 4 degrees, the nuPRISM water Cherenkov detector can provide a direct measurement of the far detector lepton kinematics for any given set of oscillation parameters, which largely removes neutrino interaction modeling uncertainties from T2K oscillation measurements. This naturally provides a direct constraint on the relationship between lepton kinematics and neutrino energy. In addition, nuPRISM is a sensitive probe of sterile neutrino oscillations with multiple energy spectra, which provides unique constraints on possible background-related explanations of the MiniBooNE anomaly. Finally, high-precision measurements of neutrino cross sections on water are possible, including $ν_e$ measurements and the first ever measurements of neutral current interactions as a function of neutrino energy. The nuPRISM detector also benefits the proposed Hyper-Kamiokande project. A demonstration that neutrino interaction uncertainties can be controlled will be important to understanding the physics reach of Hyper-K. In addition, nuPRISM will provide an easily accessible prototype detector for many of the new hardware components currently under consideration for Hyper-K. The following document presents the configuration, physics impact, and preliminary cost estimates for a nuPRISM detector in the J-PARC neutrino beamline.

研究の動機と目的

• 理論的ニュートリノ-核子反応モデルに依存せずに、入射ニュートリノエネルギーとレプトン運動量の関係を直接結びつけることで、T2Kの振動測定における系統的不確実性を低減すること。
• オフアクシス角度1°～4°の範囲で、$\nu_\mu$のcharged-current反応を用いて、ニュートリノエネルギー分布を直接測定すること。
• Super-KおよびT2Kの系統的不確実性の主な要因であるNC $\pi^+$およびNC $\pi^0$を含む中性荷電反応背景を制約すること。
• 複数のエネルギースペクトルを用いてステアーリルニュートリノ振動を探索し、MiniBooNEの異常を説明するための独自の制約を提供すること。
• ほぼ単エネルギーのビームを用いて、ニュートリノエネルギー関数としての$\nu_e$断面積および中性荷電反応断面積を高精度で測定すること。

提案手法

• オフアクシス角度1°～4°の範囲で、J-PARCニュートリノビームラインに水チェレンコフ検出器を設置し、連続的なエネルギースペクトルを持つcharged-current $\nu_\mu$反応を観測すること。
• 検出器がレプトン（ミュオンおよび電子）に応答する仕組みを活用し、理論的モデルを用いずにレプトン運動量を再構築し、入射ニュートリノエネルギーを推定すること。
• ほぼ単エネルギーのニュートリノビームを活用し、ニュートリノエネルギー関数としての中性荷電反応断面積を高精度で測定すること。
• N2-染料レーザーおよびニッケル源を用いたタイミングおよび光検出器のキャリブレーションを実施し、全PMタップにわたるチェレンコフ光信号の再構築を正確に行うこと。
• 垂直方向の通過ミュオンイベントを用いて、検出器シミュレーションにおける光子生成率および電荷スケールを調整し、エネルギーおよび運動量再構築の正確性を確保すること。
• Hyper-Kで開発された高度なシミュレーションおよび再構築ツールを活用し、イベントの重ね合わせ、検出器性能、さまざまなPMタップ構成のモデル化を行うこと。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 理論的ニュートリノ-核子反応モデルに依存せずに、測定されたレプトン運動量と入射ニュートリノエネルギーとの関係を直接決定できるか？
• RQ2 nuPRISMは、中性荷電反応背景および$\nu_e$断面積を制約することで、T2Kの$\nu_\mu$消失および$\delta_{CP}$測定における系統的不確実性をどの程度低減できるか？
• RQ3 1台の検出器で複数のエネルギースペクトルを測定することで、nuPRISMはステアーリルニュートリノ振動に独自の制約を提供できるか？
• RQ4 ほぼ単エネルギーのビームを用いて、nuPRISMはニュートリノエネルギー関数としての中性荷電反応断面積をどの程度高精度に測定できるか？
• RQ5 nuPRISMは、長基準距離実験における$\nu_e$出現および反ニュートリノ振動測定への感度にどのような影響を与えるか？

主な発見

• nuPRISMは、実験的観測のみに依存して、レプトン運動量と入射ニュートリノエネルギーを直接結びつけることで、モデルに依存しないニュートリノエネルギースペクトルの測定を可能にする。
• ニュートリノ-核子反応モデルからの不確実性を顕著に低減するため、レプトン運動量とニュートリノエネルギーの関係を高精度で制約できる。
• ほぼ単エネルギーのビームのおかげで、水に対する中性荷電反応断面積をニュートリノエネルギー関数として測定する最初の機会を提供する。
• 単一リングのe-型イベントを分離することで、$\nu_e$断面積、中性荷電反応背景、ステアーリルニュートリノ振動を同時に制約できる。
• 初期の研究では、nuPRISMが中性荷電反応背景および$\nu_e$断面積の不確実性を低減することで、T2Kの$\delta_{CP}$への感度を顕著に向上させられると示唆されている。
• Hyper-K用に開発された検出器シミュレーションおよび再構築ツールは、nuPRISMに迅速に適応可能であり、さまざまなPMタップ構成および検出器サイズにおける性能詳細な研究が可能になる。