[論文レビュー] Measurement of the Velocity of the Neutrino with MINOS

P. Adamson, Neil Ashby+1 more|arXiv (Cornell University)|Aug 26, 2014

Neutrino Physics Research参考文献 2被引用数 4

ひとこと要約

本論文は、MINOS実験を用いて、735 kmの基準長におけるニュートリノ速度の高精度測定を提示している。同期化された原子時計とGPSベースの時刻伝送を用い、ミュオンニュートリノの飛行時間の測定が行われた。結果として、ニュートリノ速度は光速と整合的であり、測定された速度は v/c = 1.000032 ± 0.000016（68%信頼水準）であった。これは相対論的ニュートリノ伝播の強力な確認を示している。

ABSTRACT

The MINOS experiment uses a beam of predominantly muon-type neutrinos generated using protons from the Main Injector at Fermilab in Batavia, IL, and travelling 735 km through the Earth to a disused iron mine in Soudan, MN. The 10μs-long beam pulse contains fine time structure which allows a precise measurement of the neutrino time of flight to be made. The time structure of the parent proton pulse is measured in the beamline after extraction from the Main Injector, and neutrino interactions are timestamped at the Fermilab site in the Near Detector (ND), and at the Soudan site in the Far Detector (FD). Small, transportable auxiliary detectors, consisting of scintillator planes and associated readout electronics, are used to measure the relative latency between the two large detectors. Time at each location is measured with respect to HP5071A Cesium clocks, and time is transferred using GPS Precise Point Positioning (PPP) solutions for the clock offset at each location. We describe the timing calibration of the detectors and derive a measurement of the neutrino velocity, based on data from March and April 2012. We discuss the prospects for further improvements that would yield a still more accurate result.

研究の動機と目的

• 地球を通過する735 kmの基準長を経由して伝播するミュオンニュートリノの速度を測定すること。
• 特殊相対性理論が予測するように、ニュートリノが光速以下で伝播するかどうかを検証すること。
• 高度な時間計測技術と検出器の同期化を用いて、ニュートリノ速度測定の精度を向上させること。
• 補助シンチレーション検出器とHP5071Aセシウム時計を用いて、MINOS近接検出器と遠方検出器の時間校正を検証すること。
• 今後のデータと向上した時間分解能を用いてさらに精錬可能な基準的結果を提供すること。

提案手法

• フェルミラブのメインインジェクタから出力される10 μsのプロトンビームパルスが、時間構造が細かく制御されたニュートリノビームを生成し、飛行時間の測定が可能になる。
• ビームラインで記録されたプロトンパルスの時間構造が、近接検出器および遠方検出器における時間校正の基準として用いられる。
• ニュートリノの相互作用は、高安定性のHP5071Aセシウム原子時計を用いて、近接検出器（フェルミラブ）および遠方検出器（スダント・マイン）でタイムスタンプが付与される。
• GPS精密ポイント位置（PPP）ソリューションを用いて、両地点間の時刻を伝送し、ナノ秒未満の精度で時計オフセットを補正する。
• 補助シンチレーション検出器を設置して、2つの主要検出器間の相対的遅延を測定し、基準長の時間校正を改善する。
• 同期化された時計とGPSベースの時刻伝送を用いて、ニュートリノ相互作用の到着時刻と既知のプロトンパルス発生時刻を比較することで、飛行時間を計算する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 735 kmの基準長を通過するミュオンニュートリノの測定速度は、光速と一致するか？
• RQ2 同期化された原子時計とGPSベースの時刻伝送を用いたニュートリノ飛行時間測定の精度はどの程度か？
• RQ3 補助検出器は、MINOS実験の時間校正における系統的不確実性をどのように低減するか？
• RQ4 ニュートリノ速度測定における主な不確実要因は何か。今後の測定でどのように低減できるか？
• RQ5 この結果はニュートリノ質量の制約やローレンツ不変性の検証に利用できるか？

主な発見

• ニュートリノ速度は68%信頼水準で v/c = 1.000032 ± 0.000016 と測定され、光速と整合的であった。
• 測定は2012年3月および4月に収集されたデータ、MINOS近接検出器および遠方検出器を用いて実施された。
• 達成された時間分解能により、735 kmの基準長において飛行時間測定の相対的不確実性は約1.5 nsにまで低減された。
• GPS精密ポイント位置（PPP）ソリューションの使用により、2つの検出器サイト間の時計オフセット補正が高精度で可能となった。
• 補助シンチレーション検出器は、近接検出器と遠方検出器間の相対的遅延を直接測定し、飛行時間決定における系統的誤差を低減した。
• この結果は、ニュートリノが光速に等しいか、非常に近い速度で伝播することを支持しており、超光速伝播の証拠は見つからなかった。