[論文レビュー] Measurement of Atmospheric Neutrino Oscillations with a High-Density Detector

A. Curioni, G. Mannocchi+4 more|ArXiv.org|May 7, 1998

Astrophysics and Cosmic Phenomena被引用数 3

ひとこと要約

本論文は、大気中ニュートリノの振動を消失（L/E依存性）および出現（上向きのタウニュートリノイベント）の両手法を用いて測定する30キロトンの高密度鉄シンチレータ検出器の提案を行う。この検出器は、Δm² > 10⁻⁴ eV² の νμ ↔ νx 振動を調査し、νx がスティーリーなニュートリノかタウニュートリノかを特定することを目的としており、既存の機器を活用することで導入を加速し、R&Dコストを削減する。

ABSTRACT

We propose an experiment to test the hypothesis that the reported anomaly on atmospheric neutrino fluxes is due to nu_mu nu_x oscillations. It will rely both on a disappearance technique, exploiting the method of the dependence of the event rate on L/E, which was recently shown to be effective for detection of neutrino oscillation and measurement of the oscillation parameters, and on an appearance technique, looking for an excess of muon-less events at high energy produced by upward-going tau neutrinos. The detector will consist of iron planes interleaved by limited streamer tubes. The total mass will be about 30 kt. The possibility of recuperating most of the instrumentation from existing detectors allows to avoid R&D phases and to reduce construction time. In four years of data taking, this experiment will be sensitive to oscillations nu_mu nu_x with Delta m^2 > 10^-4 eV^2 and a mixing near to maximal, and answer the question whether nu_x is a sterile or a tau neutrino.

研究の動機と目的

• 観測された大気中ニュートリノフラックスの異常は、νμ ↔ νx 振動に起因するという仮説を検証すること。
• 振動する状態 νx がスティーリーなニュートリノかタウニュートリノかを区別すること。
• L/E依存性法を用いて νμ の消失を測定し、振動パラメータを決定すること。
• 上向きの高エネルギーのタウニュートリノイベントを検出することで、振動の出現を示すサインを取得すること。
• 既存の検出器から得られる部品を再利用することで、迅速な導入を可能にし、開発および建設にかかる時間を最小限に抑えること。

提案手法

• ニュートリノ反応から生じる荷電粒子を検出するため、交互に配置された鉄プレートと制限付きストリーマチューブからなる高密度検出器を用いる。
• 基準距離 L とニュートリノエネルギー E の比に依存するイベント率を測定し、振動による νμ の消失を特定する。
• 高エネルギー域でミューオンを伴わないイベントの過剰を検出することで、νμ の振動から生じるタウニュートリノの出現を示唆する。
• 既存の検出器部品を活用することで、開発時間と建設コストを削減する。
• 4年間の運用により、Δm² > 10⁻⁴ eV² およびほぼ最大混合の感度を達成する。
• 検出器の巨大な質量（約30 kt）を活かして統計的パワーを高め、まれな振動信号に対する感度を向上させる。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 大気中ニュートリノフラックスの異常は、νμ ↔ νx 振動によるものか？
• RQ2 振動する状態 νx の性質は、スティーリーなニュートリノかタウニュートリノか？
• RQ3 L/E依存性法は、大気中ニュートリノにおける νμ の消失を効果的に測定できるか？
• RQ4 上向きのタウニュートリノイベントの出現は、十分な感度で検出可能か？
• RQ5 既存の検出器ハードウェアをどれだけ再利用できるか、導入の加速とコスト削減にどの程度貢献できるか？

主な発見

• 提案された実験は、4年間のデータ取得期間で、Δm² > 10⁻⁴ eV² の νμ ↔ νx 振動を調査可能である。
• ほぼ最大混合の感度が達成可能であり、スティーリーなニュートリノとタウニュートリノの仮説を区別できる。
• L/E依存性法は、νμ の消失の検出および振動パラメータの測定に有効である。
• 上向きの高エネルギーでミューオンを伴わないタウニュートリノからのイベントの出現は、振動の確認に補足的であるサインを提供する。
• 既存の機器を再利用することで、迅速な導入が可能となり、R&Dおよび建設のタイムラインが短縮される。
• 30キロトンの検出器質量により、高い重要度で大気中ニュートリノの異常を解明するのに十分な統計的パワーが得られる。