[論文レビュー] Measurement of three-family neutrino mixing and search for CP violation

A. Guglielmi, M. Mezzetto+2 more|arXiv (Cornell University)|Aug 2, 2005

Neutrino Physics Research参考文献 52被引用数 12

ひとこと要約

本稿は、スーパービーム、ベータビーム、ニュートリノファクトリーなどの将来の高強度ニュートリノビームを用いて、三世代ニュートリノ混合パラメータ、特に未知のθ₁₃混合角およびCP対称性の破れ位相δ_CPの測定を検討する。複数の検出器技術（磁化鉄検出器や大規模な水チェレンコフ検出器など）を組み合わせることで、振動パラメータにおける8重のデゲネラシーを解消し、θ₁₃およびδ_CPの高精度決定が可能であることを示している。

ABSTRACT

The measurements of the parameters of the neutrino mixing matrix in the present and future neutrino oscillation experiments at accelerators are presented. The perspectives for high intensity new neutrino facilities as SuperBeams, BetaBeams and Neutrino Factories devoted to precise measurements subleading numu to nue oscillation parameters at the atmospheric scale are discussed. Emphasis is on the determination of the currently unknown 1-3 sector of the leptonic mixing matrix (i.e. the mixing between the first and third generation and the CP violating Dirac phase) and on possible experimental programs to be developed in Europe.

研究の動機と目的

• 現在未知のレプトン混合行列の1-3混合セクター、特にθ₁₃混合角およびCP対称性の破れ位相δ_CPを特定すること。
• 次世代ニュートリノ施設（スーパービーム、ベータビーム、ニュートリノファクトリー）の物理学的ポテンシャルを評価し、副次的なν_μ → ν_e振動の高精度測定を可能にする。
• ヨーロッパにおける実験プログラムが、現在の限界を超えてニュートリノ混合パラメータを測定する能力を評価すること。
• 複合検出器システムを用いて、三フラバーのニュートリノ振動におけるパラメータのデゲネラシー（8重の曖昧性）に対処すること。
• θ₁₃およびδ_CPに対する感度を最大化し、系統的不確実性を最小限に抑える最適な検出器およびビーム設定を特定すること。

提案手法

• θ₁₃およびδ_CPの真の値に対する感度を評価するために、χ²フィット解析を用いる。
• 標準的な三ニュートリノ振動形式を用い、PMNS混合行列を3つの混合角（θ₁₂、θ₂₃、θ₁₃）、2つの質量差の二乗（Δm²₁₂、Δm²₂₃）、およびCP対称性の破れ位相δ_CPでパrameter化する。
• 密度行列要素W^jk_αβの実部および虚部を含む一般式を用いてニュートリノ振動確率をモデル化し、これにはU行列の要素およびL/E_ν比が依存する。
• 特に長基準距離実験において物質効果が振動確率に与える影響を検討する。
• 磁化鉄検出器（MID）、ハイブリッドエマルジョン検出器（HE）、大規模な水チェレンコフ検出器を含む複数の検出器タイプの性能を、異なるビーム施設と組み合わせて評価する。
• SPL-SuperBeamとBetaBeam施設の協調効果を分析し、両者の組み合わせが感度を著しく向上させ、パラメータのデゲネラシーを解消することを示す。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 将来のニュートリノビーム施設（スーパービーム、ベータビーム、ニュートリノファクトリー）は、θ₁₃混合角およびCP対称性の破れ位相δ_CPの測定に対してどの程度の感度を持つのか？
• RQ2 複合検出器およびビーム設定を用いて、三フラバーのニュートリノ振動パラメータにおける8重のデゲネラシーをどのように解消できるか？
• RQ3 ν_μ → ν_e振動の高精度測定を達成するための最適なビーム強度、基準距離、検出器技術の組み合わせは何か？
• RQ4 磁化鉄検出器、水チェレンコフ検出器、液体アルゴン検出器などの異なる検出器タイプは、振動パラメータ空間における真の解と偽の解をどの程度の精度で区別できるか？
• RQ5 SPL-SuperBeam施設とBetaBeam施設を組み合わせることで、レプトン混合行列の残りの未知のパラメータをどの程度まで探査できるか？

主な発見

• SPL-SuperBeam施設と磁化鉄検出器（MID）の組み合わせは、θ₁₃およびδ_CPに対する感度を著しく向上させ、単一検出器構成と比較して不確実性を低減する。
• MID構成にν_F施設に設置されたハイブリッドエマルジョン検出器（HE）を追加することで、パラメータのデゲネラシーがさらに低減され、真の振動パラメータの解明が向上する。
• MID、HE、および大規模な水チェレンコフ検出器の3つの検出器を組み合わせることで、振動パラメータの8重のデゲネラシーが完全に解消され、真のθ₁₃およびδ_CP値の正確な再構成が可能になる。
• θ₁₃ = 2°およびδ_CP = 90°のベンチマークケースにおいて、組み合わせ検出器システムは物理的パラメータを高精度で決定可能であり、高精度測定の実現可能性を示している。
• SPL-SuperBeamとBetaBeam施設の組み合わせは、ニュートリノファクトリー時代以前に提案された中で最も強力な構成であることが示され、優れた感度と完全なデゲネラシー解消を提供する。
• 100万トン規模の水チェレンコフ検出器は、ベータビームと組み合わせて使用する際に最大限に活用され、信号対雑音比が向上し、小さなθ₁₃値に対する感度が向上する。