[論文レビュー] Long-Baseline Neutrino Facility (LBNF) and Deep Underground Neutrino Experiment (DUNE)

R. Acciarri, S. Bansal+799 more|arXiv (Cornell University)|Jan 12, 2016

Neutrino Physics Research被引用数 221

ひとこと要約

LBNF/DUNE実験は、マルチメガワット級のワイドバンドニュートリノビームと、大規模な地下リキッドアルゴンタイムプロジェクションチェンバ（LArTPC）遠方検出器を用いた長基準距離ニュートリノ振動研究を提案しており、高精度な近接検出器と併せて、CP対称性の破れ、質量順序、および核子崩壊といったニュートリノの性質を、かつてない感度と分解能で探査する。

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

• 長基準距離ニュートリノ振動測定を通じて、質量順序やCP対称性の破れといったニュートリノの基本的性質を調査すること。
• 大規模な地下リキッドアルゴンタイムプロジェクションチェンバを用いて陽子崩壊の探索を行うこと。
• 近接検出器システムを用いて、高分解能かつ高精度でニュートリノ相互作用を研究すること。
• 宇宙からのニュートリノおよび超新星ニュートリノの検出を通じて、ニュートリノ天体物理学を前進させること。
• 国際共同による世界最高水準のニュートリノ科学施設を確立すること。

提案手法

• 実験は、フェルミラブで生成されたマルチメガワット級ワイドバンドニュートリノビームを用い、地下深くに設置された遠方検出器へと指向する。
• 遠方検出器は、モジュラー構造のリキッドアルゴンタイムプロジェクションチェンバ（LArTPC）であり、ニュートリノ相互作用から生じる荷電粒子の高分解能トレーキングおよびエネルギー測定を可能にする。
• ビーム源に近い位置に高精度な近接検出器システムを設置し、初期のニュートリノフラックスおよびスペクトルを高い精度で測定する。
• LArTPC技術により、粒子の軌跡およびエネルギー損失の詳細な再構築が可能となり、まれな過程に対する感度が向上する。
• 振動パラメータの抽出および新しい物理の探索のため、高度なデータ取得および解析手法が採用される。
• 地下に設置されることで宇宙線バックグラウンドが低減され、核子崩壊のようなまれなイベントの信号対雑音比が向上する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ニュートリノ質量順序とは何か？ そして、長基準距離振動データを用いて、高い信頼性で同定可能だろうか？
• RQ2 ニュートリノ系においてCP対称性の破れが生じるのか？ もし生じるならば、その大きさはどの程度か？
• RQ3 DUNE実験の陽子崩壊に対する感度はどの程度であり、過去の実験と比較してどうなるか？
• RQ4 液体アルゴン検出器を用いて、ニュートリノ相互作用断面積をどの程度の精度で測定できるか？
• RQ5 DUNE検出器において、天体的ニュートリノおよび超新星ニュートリノの可能性のある特徴は何か？

主な発見

• DUNE遠方検出器は、リキッドアルゴンタイムプロジェクションチェンバ技術を基盤としており、正確なニュートリノ相互作用再構築に向けた高い空間分解能およびエネルギー分解能を達成している。
• 標準的な振動パrameterを仮定した場合、実験はニュートリノ質量順序を5σ以上の有意水準で特定できるように設計されている。
• ニュートリノ系におけるCP対称性の破れに対する感度は、過去の実験と比較して顕著に向上し、大きなCP対称性破れ位相に対しては5σを超える発見可能性が期待される。
• 核子崩壊探索の感度は、陽子寿命の上限として約10^35年まで到達すると予想されており、過去の実験を1桁以上上回る。
• 近接検出器システムにより、初期のニュートリノフラックスの正確な測定が可能となり、振動パラメータ抽出における系統的不確実性が低減される。
• 地下に設置された検出器設計により、宇宙線バックグラウンドが効果的に抑制され、陽子崩壊や超新星ニュートリノのようなまれなイベントの検出が可能になる。