[論文レビュー] NESSiE: The Experimental Sterile Neutrino Search in Short-Base-Line at CERN

U. Köse|arXiv (Cornell University)|Apr 26, 2013

Neutrino Physics Research参考文献 15被引用数 3

ひとこと要約

NESSiEはCERNにおける新しい短基準長ニュートリノビームを用い、2つの磁気分光計（ニアとファーラ）とICARUS型液体アルゴンタイムプロジェクションチェンバを組み合わせて、荷電-currentミュオンニュートリノおよび反ニュートリノの相互作用を測定することで、ステルラーニュートリノの高精度探索を提案している。この実験は、LSNDおよび原子炉異常のパラメータ領域をカバーし、特に$\Delta m^2 \sim 2$ eV$^2$および$\sin^2 2\theta \sim 10^{-2}$において、現在の限界を超える感度を実現する。ミュオンニュートリノ$\nu_\mu$と反ミュオンニュートリノ$\bar{\nu}_\mu$の消失を独立して測定することで、低系統誤差を実現する。

ABSTRACT

Several different experimental results are indicating the existence of anomalies in the neutrino sector. Models beyond the standard model have been developed to explain these results and involve one or more additional neutrinos that do not weakly interact. A new experimental program is therefore needed to study this potential new physics with a possibly new Short-Base-Line neutrino beam at CERN. CERN is actually promoting the start up of a New Neutrino Facility in the North Area site, which may host two complementary detectors, one based on LAr technology and one corresponding to a muon spectrometer. The system is doubled in two different sites. With regards to the latter option, NESSiE, Neutrino Experiment with Spectrometers in Europe, had been proposed for the search of sterile neutrinos studying Charged Current (CC) muon neutrino and antineutrino ineractions. The detectors consists of two magnetic spectrometers to be located in two sites:"Near" and "Far" from the proton target of the CERN-SPS beam. Each spectrometer will be complemented by an ICARUS-like LAr target in order to allow also Neutral Current (NC) and electron neutrino CC interactions reconstruction.

研究の動機と目的

• 短基準長ニュートリノ振動実験における異常を説明できるステルラーニュートリノの存在を調査すること。
• LSND、MiniBooNE、原子炉およびガリウム異常と整合するパラメータ領域を探索し、$\Delta m^2 \sim 1-2$ eV$^2$の第四のステルラーニュートリノの存在を検討すること。
• 磁気分光計による電荷識別を用いて$\nu_\mu$と$\bar{\nu}_\mu$の消失を独立して測定することで、バックグラウンドおよび系統誤差を低減すること。
• ニアおよびファーディテクターの両地点でニュートリノフラックスおよび相互作用スペクトルを高精度で測定し、振動に起因するスペクトル歪みを検出すること。

提案手法

• SPSから抽出された100 GeVプロトンをグラファイト標的に照射し、二次生成のパイオンおよびカイオンが崩壊してミュオンニュートリノおよび反ニュートリノを生成するCERNニュートリノビーム施設（CENF）を活用する。
• ニア（119 t有効質量）およびファーディテクチャー（476 t）に同一の磁気分光計を設置し、ミュオン運動量および電荷を再構築することで、$\nu_\mu$および$\bar{\nu}_\mu$イベントを分離する。
• 各地点にICARUS型液体アルゴンタイムプロジェクションチェンバ（LAr-TPC）を統合し、荷電-currentおよび中性-current相互作用を高精度で検出・再構築する。
• ニアおよびファーディテクチャーの間で再構築されたCC対NCイベントの比率およびスペクトル歪みを用いて振動を調査する。振動がない場合、初期スペクトルは同一であると仮定する。
• 独立した$\nu_\mu$および$\bar{\nu}_\mu$消失測定を用いて、ステルラーニュートリノ混合におけるCP対称性の破れを検証する。
• 高い統計的パワー（例：$\Delta m^2 \sim 2$ eV$^2$の条件下でファーディテクチャーでNEESiE単体で約120万件の$\nu_\mu$ CCイベント）を活用し、既存実験を超える感度を達成する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 LSNDおよびMiniBooNEの異常は、$\Delta m^2 \sim 1-2$ eV$^2$のステルラーニュートリノの存在によって説明可能か？
• RQ2 特に原子炉およびガリウム異常を踏まえて、$\Delta m^2 \sim 0.2-2$ eV$^2$の範囲でNESSiE実験が$\nu_\mu$消失にどの程度感度を持つのか？
• RQ3 ミュオン電荷識別を用いたNEESiE分光計が、$\nu_\mu$と$\bar{\nu}_\mu$イベントをどの程度正確に区別できるか、およびそれがバックグラウンド抑制にどのように寄与するか？
• RQ4 実験は$\nu_e$出現および消失モードに感度を持つことができるか？また、これによりステルラーニュートリノ結合にどのような制約が得られるか？
• RQ5 ニアおよびファーディテクチャーの間でミュオン運動量分布に生じるスペクトル歪みが、ステルラーニュートリノによる振動検出にどのように寄与するか？

主な発見

• NESSiE分光計は、ニアおよびファーディテクチャー両地点のLAr-TPCから生成され、外部へ抜け出すすべてのCCイベントの約40％を再構築できると予想され、全スペクトル測定が可能になる。
• 3年間の運用（ニュートリノモード2年、反ニュートリノモード1年）により、CDHSおよびSciBooNE+MiniBooNEの限界を超える$\nu_\mu$消失への感度を達成し、LSND異常領域の大部分をカバーする。
• $\Delta m^2 \sim 2$ eV$^2$の条件下で、NEESiE分光計単体でファーディテクチャーに約110,000件の$\bar{\nu}_\mu$ CCイベントが記録され、NEESiE+LArの組み合わせでは約280,000件に達する見込みである。
• $\nu_\mu$消失に対して非常に高い統計的パワーを有し、振動仮説下でファーディテクチャーでNEESiE単体で100万件を超えるCCイベントが予想され、正確なスペクトル解析が可能になる。
• NESSiE分光計は$\nu_\mu$および$\bar{\nu}_\mu$消失を独立して測定でき、ステルラーニュートリノ系におけるCP対称性の破れを直接テストできる。
• 振動仮説下では、ニアおよびファーディテクチャーの測定イベントスペクトルに顕著な差が生じると予想され、特に$\Delta m^2 \sim 2$ eV$^2$の$\nu_\mu$ CCスペクトルで最大のずれが観測され、ステルラーニュートリノ振動の明確なシグナルが得られる。