[論文レビュー] MEMPHYS:A large scale water Cerenkov detector at Fréjus

A. de Bellefon, J. Bouchez+13 more|arXiv (Cornell University)|Jul 17, 2006

Neutrino Physics Research被引用数 55

ひとこと要約

MEMPHYSは、CERNのSPL施設から発生する高強度スーパービームおよびベータビームを用いて、陽子崩壊、超新星ニュートリノ、ニュートリノ混合のCP対称性破れを研究する、メガトン規模の水チェレンコフ検出器をフレジュス地下施設に設置することを提言する。この検出器は、sin²(2θ₁₃)の感度を10⁻⁴まで達成し、sin²(2θ₁₃) > 3×10⁻⁴の場合に3σの有意水準でCP対称性破れを検出可能となる。これにより、LHC時代以降の長基準距離ニュートリノ物理学分野でヨーロッパが主導的立場を確立する。

ABSTRACT

A water Čerenkov detector project, of megaton scale, to be installed in the Fréjus underground site and dedicated to nucleon decay, neutrinos from supernovae, solar and atmospheric neutrinos, as well as neutrinos from a super-beam and/or a beta-beam coming from CERN, is presented and compared with competitor projects in Japan and in the USA. The performances of the European project are discussed, including the possibility to measure the mixing angle $θ_{13}$ and the CP-violating phase $δ$.

研究の動機と目的

• 現在の限界よりも1桁高い感度で陽子崩壊を調べられる、フレジュスに大規模な水チェレンコフ検出器を構築すること。
• コアコラプス超新星からのニュートリノおよび拡散超新星ニュートリノ背景を高効率で検出可能にする。
• CERNのSPL施設から発生するスーパービームおよびベータビームを用いて、ニュートリノ混合角θ₁₃を測定し、ニュートリノ系におけるCP対称性破れを探索すること。
• 日本および米国の既存プロジェクトと補完的である、ヨーロッパのメガトン規模ニュートリノ物理学施設を確立すること。
• 新規フレジュストンネルの建設と既存のCERNインfrastrutureを活用し、コスト効率が良く、長期的な物理学的潜在能力を持つ大容量検出器を実現すること。

提案手法

• 既存のフレジュス地下施設と新たに掘削された平行トンネルを活用し、体積100万m³の水チェレンコフ検出器を設置し、有効体積は約400 ktonとする。
• 効率的なチェレンコフ光収集のため、高密度のフォトマルチプライヤートランジスタ（PMT）アレイを設置し、スマート-PMT電子回路を用いて信号処理とバックグラウンド抑制を実施する。
• CERNのスーパープロトン線形加速器（SPL）施設から発生する高強度ニュートリノビームを用い、130 kmの基準距離で300 MeVのニュートリノを生成する。
• ストレージされた放射性イオン（例：⁶He、¹⁸Ne）を用いたベータビームを導入し、高強度で純粋な電子（反）ニュートリノビームを生成し、θ₁₃およびCP対称性破れに対する感度を向上させる。
• 検出器応答、バックグラウンド除去、物理学的感度をモデル化するための高度なシミュレーションツールを適用し、陽子崩壊モードp→e⁺π⁰およびp→ν̄K⁺を含む。
• 検出器をマルチ目的地下実験施設に統合し、地球物理学、地球化学、岩石力学分野の横断的研究を支援する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 フレジュスに設置されたメガトン規模の水チェレンコフ検出器は、sin²(2θ₁₃)の感度を10⁻³未満にまで低下させ、ニュートリノ系における非最大混合の検出を可能にするか？
• RQ2 2〜3年間の運用期間における、MEMPHYS検出器の拡散超新星ニュートリノに対する期待される感度はどの程度か？
• RQ3 CERNのSPLスーパービームとベータビームの組み合わせにより、ニュートリノ混合行列におけるCP対称性破れを3σの有意水準で検出可能な統計的データとエネルギー分解能が得られるか？
• RQ4 θ₁₃および振動パラメータに対する感度において、MEMPHYS検出器は日本のT2Kプロジェクトおよび米国のNOvAプロジェクトと比較して、どの程度の性能を示すか？
• RQ5 既存の地下トンネルインfrastrutureを活用して1 Mtonの水チェレンコフ検出器を建設するにあたり、技術的および費用的影響は何か？

主な発見

• MEMPHYS検出器は、sin²(2θ₁₃)の感度を10⁻⁴まで達成し、sin²(2θ₁₃) > 3×10⁻⁴の場合に3σの有意水準でニュートリノ系におけるCP対称性破れを検出可能となる。
• 検出器は、3 Mpc以内の銀河超新星爆発をトリガーし、詳細なニュートリノ光曲線を提供でき、現在の地上検出器の能力を上回る。
• 2〜3年の運用で、MEMPHYSは拡散超新星ニュートリノ背景を4σで検出可能となり、ニュートリノ天体物理学における重要なマイルストーンとなる。
• 陽子崩壊感度は現在の限界と比較して1桁向上し、特にp→e⁺π⁰およびp→ν̄K⁺崩壊チャネルにおいて顕著な改善が見込まれる。
• 2018年開始が可能であり、新規フレジュストンネルとCERNのSPLビームラインを活用できる。全物理学運用は2020年までに到達可能である。
• 水チェレンコフ技術は、スケーラブルでコスト効率が良く、将来的なニュートリノ計画において液体アルゴンおよび液体シンチレーション検出器と強い補完性を示す。