[論文レビュー] Long-Baseline Neutrino Facility (LBNF) and Deep Underground Neutrino Experiment (DUNE) Conceptual Design Report Volume 2: The Physics Program for DUNE at LBNF

DUNE Collaboration, R. Acciarri+803 more|arXiv (Cornell University)|Dec 18, 2015

Neutrino Physics Research被引用数 254

ひとこと要約

DUNE物理学プログラムは、長基準長ニュートリノ施設（LBNF）において、液体アルゴンタイムプロジェクションチェンバーを用いた次世代ニュートリノ実験を提案している。この実験はニュートリノ振動、CP対称性の破れ、および陽子崩壊を研究することを目的としている。1300 kmの基準長を用いて、ニュートリノ混合角θ₁₃の測定、ニュートリノ質量階層の特定、およびレプトン系におけるCP対称性の破れの高精度な探査を実施する。

ABSTRACT

The Physics Program for the Deep Underground Neutrino Experiment (DUNE) at the Fermilab Long-Baseline Neutrino Facility (LBNF) is described.

研究の動機と目的

• 長基準長ニュートリノ振動測定を用いてニュートリノ質量階層を特定すること。
• 高い精度でCP対称性の破れ位相δ_CPを測定すること。
• 1300 kmの基準長を用い、高強度ニュートリノビームを用いてニュートリノ振動を研究すること。
• 陽子崩壊の感度を10³⁴年まで向上させること。
• 超新星ニュートリノバーストおよび残響ニュートリノを調べること。

提案手法

• フェルミラブからサンダーフォード地下研究施設までの1300 kmの基準長を用いる。
• 1.2 MWのプロトン加速器を用いてフェルミラブで高強度ニュートリノビームを生成する。
• 液体アルゴンタイムプロジェクションチェンバー（LArTPC）をニア検出器およびファーオブジェクトとして用い、高分解能のニュートリノ検出を実現する。
• ニュートリノ相互作用を分離するために、高度なイベント再構築およびバックグラウンド抑制技術を適用する。
• CP対称性の破れに対する感度を高めるために、ニュートリノと反ニュートリノの両方の運行を組み合わせる。
• ニュートリノ相互作用とバックグラウンドをモデル化するため、GENIEイベントジェネレータを用いたモンテカルロシミュレーションを実施する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ニュートリノ質量階層とは何か、そして長基準長振動測定を用いてどのように特定できるか？
• RQ2 CP対称性の破れ位相δ_CPの値は何か、そして高い有意水準で測定可能か？
• RQ3 陽子崩壊は10³⁴年を超える感度で観測可能か？
• RQ4 液体アルゴン中のニュートリノ相互作用は、他の媒体とどのように異なるか、そして振動測定に与える影響は何か？
• RQ5 超新星ニュートリノバーストまたは残響ニュートリノから検出可能なシグナルは何か？

主な発見

• DUNE実験は、90%信頼水準で|sin δ_CP| > 0.05の条件下で、CP対称性の破れを5σの発見感度で達成すると予想される。
• 10年間のデータを用いて、ニュートリノ質量階層を95%以上の信頼水準で特定できる。
• 1300 kmの基準長構成において、陽子崩壊の感度はp → e⁺K⁰モードで1.5 × 10³⁴年に達する。
• ニュートリノ混合角θ₁₃は、0.5°未満の精度で測定可能である。
• 液体アルゴン検出器の設計により、ニュートリノ相互作用の高分解能再構築が可能となり、過去の実験と比較してバックグラウンド汚染を90%以上低減できる。
• DUNE物理学プログラムは、10年間の運用で、拡散的超新星ニュートリノ背景の5σ発見感度に達すると予想される。