[論文レビュー] Neutrinos from Stored Muons (nuSTORM)

L. Alvarez Ruso, T. Alves+10 more|arXiv (Cornell University)|Mar 14, 2022

Muon and positron interactions and applications被引用数 6

ひとこと要約

nuSTORMは、高精度のニュートリノ断面積測定に向け、ミューオンをリングに閉じ込めて保存する専用施設を提案する。ミューオンを保存し、その崩壊生成物を測定することで、ニュートリノ流量の不確かさを1%未塔に抑える。これにより、DUNEおよびHyper-K実験のための決定的入力が得られ、将来のミューオンコライダー開発に向けたミューオン冷却技術の発展が促進される。

ABSTRACT

The 2020 Update of the European Strategy for Particle Physics (ESPP) (see https://cds.cern.ch/record/2720129 ) recommended that muon beam R\&D should be considered a high-priority future initiative and that a programme of experimentation be developed to determine the neutrino cross-sections required to extract the most physics from the DUNE and Hyper-K long-baseline experiments. The ENUBET and nuSTORM collaborations have begun to work within and alongside the CERN Physics Beyond Colliders study group and the international Muon Collider collaboration to carry out a joint, five-year R\&D programme to deliver a detailed plan for the implementation of an infrastructure in which: (1) ENUBET and nuSTORM deliver the neutrino cross-section measurement programme identified in the ESPP and allow sensitive searches for physics beyond the Standard Model to be carried out; and in which \ (2) A 6D muon ionisation cooling experiment is delivered as part of the technology development programme defined by the international Muon Collider collaboration. This document summarises the status of development of the nuSTORM and 6D cooling experiments and identifies opportunities for collaboration in the development of the initiative outlined above.

研究の動機と目的

• 将来の長基準距離実験（DUNEやHyper-Kを含む）の物理的探査範囲を最大限に引き出すために、高精度なニュートリノ断面積測定の必要性に対応する。
• 保存ミューオンビーム内の崩壊生成物を直接モニタリングすることで、ニュートリノ流量の不確かさを約7%〜10%から約1%まで低減する。
• 国際的ミューオンコライダー協働の一部として、6次元ミューオンイオン化冷却技術の開発路線を確立する。
• 正確に知られたニュートリノビームを用いて、標準模型を越える物理学の探索を高感度で行う。
• DUNEおよびHyper-Kに関連する300 MeVから5.5 GeVのエネルギー範囲において、決定的なニュートリノ-核散乱プログラムを実施する。

提案手法

• ミューオンの運動量を6 GeV/c、運動量分散を±16%に保つリングにミューオンを閉じ込める。これにより、ミューオン崩壊によって明確に定義されたニュートリノビームが生成される。
• ストレージリング内に高精度の計測装置を設置し、崩壊生成物（例：電子、陽電子）をモニタリングすることで、ニュートリノ流量およびエネルギースペクトルを高精度で決定する。
• 「狭帯域非正面技術」を活用し、反応断面積の位置情報に基づいて、単一ニュートリノレベルでのニュートリノエネルギーを約10%の精度で特定する。
• DUNEおよびHyper-Kの近接検出器で用いられる高度なニュートリノ検出技術を応用し、高精度な散乱測定を実現する。
• パイオントランスファー路および曲げ部でのパイオングラムおよびミューオン崩壊に起因するバックグラウンド源をモデル化・抑制し、5 GeVでは0.01%未塔、3 GeVでは0.03%未塔の汚染を示す。
• 直接的にνₑ流量を約1%の精度で測定するため、モニタリングされたKe3崩壊（K⁺→π⁰e⁺νₑ）を活用し、ミューオン崩壊モニタリングによる間接的νₘᵤ測定を補完する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 保存ミューオン施設は、νₑおよびνₘᵤビームの両方において、1%未塔のニュートリノ流量不確かさを達成できるか？
• RQ2 非正面幾何学における位置情報のみを用いて、ニュートリノエネルギースペクトルをどの程度高精度で特定できるか？
• RQ3 ビームトランスファー路および曲げ部におけるパイオングラムおよびミューオン崩壊からの主なバックグラウンド寄与は何か？また、これらは精度測定において無視できるか？
• RQ4 nuSTORM施設は、300 MeVから5.5 GeVのエネルギー範囲にわたり、決定的なニュートリノ-核断面積測定を提供できるか？
• RQ5 施設は、将来のミューオンコライダー応用を想定した6次元ミューオンイオン化冷却技術の開発をどの程度効果的に支援できるか？

主な発見

• 特にKe3崩壊によるνₑ測定とミューオン崩壊モニタリングによるνₘᵤ測定により、ニュートリノ流量の不確かさが約1%またはそれ未塔にまで低減される。
• 狭帯域非正面技術を用い、反応断面積の位置情報のみに基づいて、単一ニュートリノレベルでのニュートリノエネルギースペクトルを約10%の精度で特定可能である。
• トランスファー路におけるパイオングラムおよびミューオン崩壊に起因するバックグラウンドは無視できる：5 GeVでは0.01%未塔、3 GeVでは0.03%未塔であり、これらの源からのニュートリノの大部分は極めて低いエネルギーに集中している。
• 最初の曲げ部での崩壊寄与は最大で約1%にとどまり、ビーム損失および崩壊静止優位性のため、実際のレベルはさらに低くなると予想される。
• カイオン崩壊寄与は、生成量が低く、パイオングラム崩壊と比較してニュートリノ受容率に顕著な利点がないため、無視できる。
• 施設は、DUNEおよびHyper-Kの関心のある運動的領域をカバーする300 MeVから5.5 GeVの全範囲にわたり、良好に校正されたニュートリノビームを供給可能である。