[論文レビュー] Long-Baseline Neutrino Facility (LBNF) and Deep Underground Neutrino Experiment (DUNE) Conceptual Design Report Volume 1: The LBNF and DUNE Projects

R. Acciarri, M. A. Acero+803 more|arXiv (Cornell University)|Jan 20, 2016

Neutrino Physics Research被引用数 100

ひとこと要約

この Conceptual Design Report は LBNF/DUNE プロジェクトの根拠、組織、スケジュール、および SURF における 1.2 MW（将来拡張可能）広帯域ニュートリノ beam と 4 基の 10-kt 液体アルゴン遠距離検出器の基準設計を提示し、約 2032 年までに 120 kt·MW·year の露出と段階的プログラムにおける CP 破れ/質量階層感度を目指す。

ABSTRACT

This document presents the Conceptual Design Report (CDR) put forward by an international neutrino community to pursue the Deep Underground Neutrino Experiment at the Long-Baseline Neutrino Facility (LBNF/DUNE), a groundbreaking science experiment for long-baseline neutrino oscillation studies and for neutrino astrophysics and nucleon decay searches. The DUNE far detector will be a very large modular liquid argon time-projection chamber (LArTPC) located deep underground, coupled to the LBNF multi-megawatt wide-band neutrino beam. DUNE will also have a high-resolution and high-precision near detector.

研究の動機と目的

• LBNF/DUNE プログラムを「世界的なニュートリノ研究の統合」として、次世代長基線実験へ導く動機付け。
• 科学目標を定義: レプトン分野の CP 破れ、ニュートリノ質量階層、ニュートリノ相互作用の精密測定；付随する物理。
• プロジェクト戦略、施設設計、検出器概念、P5/ESPP の推奨に適合する国際組織構造を説明。
• 地上サイト（SURF）と近接サイト（Fermilab）の建設と運転開始を二方向スケジュールで調整する。
• LBNF、DUNE、Fermilab、CERN 及び国際パートナー間の管理構造と責任を概説。

提案手法

• 科学的根拠と 120 kt·MW·year の露出と CP 破れ感度のベンチマークを達成するための必要な性能を記述。
• 液体アルゴン時間投射検出器技術を用いた 4 台の 10-kt ファー検出モジュールを段階的展開で提案。
• PIP-II ベースの 1.2 MW 運転と多 megawatt への潜在的アップグレードを含むビームライン設計を概説。
• Fermilab と SURF における従来施設、液体希釈、検出器基盤を詳述。
• CERN 構造をモデルとした国際ガバナンスモデルを採用し、LBNF と DUNE の責任を区分。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 提案された LBNF/DUNE 設定とビームパワーの進化により、ニュートリノ質量階層と delta_CP の実験感度はどの程度達成可能か。
• RQ2 段階的展開は初期の物理出力と 120 kt·MW·year 露出までの全体的なタイムラインにどのように影響するか。
• RQ3 DUNE 近接検出器と LBNF ビームで、ニュートリノ横断、核子構造、核効果等の付随測定はどれだけアクセス可能になるか。
• RQ4 ビームラインと検出器の最適構成とアップグレード経路は P5/ESPP の推奨を満たすためにどうあるべきか。
• RQ5 国際ガバナンスと資金調達をどう組織して建設と運用を維持するべきか。

主な発見

• 本プログラムは P5 推奨に基づき 2035 年程度までの 120 kt·MW·year の露出を目指す。
• 1.2 MW のビームで、将来マルチメガワット出力へ拡張可能、洞窟スペースを含む地下のファー検出器で少なくとも 40 kt LAr fiducial 容量の拡張を見込む。
• ファー検出器は 4 台の 10-kt LArTPC モジュールから成り、段階的に導入して早期科学成果を可能にする。
• 近接検出器は系統誤差を抑え感度を最大化する高分解能測定を提供。
• DUNE は質量階層と CP 破れを高い信頼度で決定し、加速器非依存の広範な物理（大気、超新星、中性子崩壊等）の物理を可能にすることを目指す。
• 国際的な組織構造で、Fermilab をホストとし CERN の物資提供を含む体制が LBNF の建設と DUNE の協力活動を調整。