[論文レビュー] Neutrinos from Stored Muons nuSTORM: Expression of Interest

D. Adey, Sanjib Kumar Agarwalla+107 more|arXiv (Cornell University)|May 7, 2013

Neutrino Physics Research参考文献 174被引用数 17

ひとこと要約

nuSTORMは、貯蔵されたミューオンから高強度で良好にキャリブレーションされた電子ニュートリノおよびミューオンニュートリノビームを生成するCERNに拠点を置く施設を提案しており、ニュートリノ-核散乱の高精度な測定およびステアーリルニュートリノの探索を可能にする。このプロジェクトは、SPSおよび北地区施設を含む既存のCERNインfrastrutureを活用し、長基準長および短基準長の振動実験の進展を促進し、断面積モデル化における系統的不確実性を低減する上で極めて重要な高精度ニュートリノ計画を実現する。

ABSTRACT

The nuSTORM facility has been designed to deliver beams of electron and muon neutrinos from the decay of a stored muon beam with a central momentum of 3.8 GeV/c and a momentum spread of 10%. The facility is unique in that it will: serve the future long- and short-baseline neutrino-oscillation programmes by providing definitive measurements of electron-neutrino- and muon-neutrino-nucleus cross sections with percent-level precision; allow searches for sterile neutrinos of exquisite sensitivity to be carried out; and constitute the essential first step in the incremental development of muon accelerators as a powerful new technique for particle physics. Of the world's proton-accelerator laboratories, only CERN and FNAL have the infrastructure required to mount nuSTORM. Since no siting decision has yet been taken, the purpose of this Expression of Interest (EoI) is to request the resources required to: investigate in detail how nuSTORM could be implemented at CERN; and develop options for decisive European contributions to the nuSTORM facility and experimental programme wherever the facility is sited. The EoI defines a two-year programme culminating in the delivery of a Technical Design Report.

研究の動機と目的

• CERNにおける貯蔵ミューオンから高強度で良好にキャリブレーションされたニュートリノビームを生成し、ニュートリノ-核散乱の高精度な測定を可能にする。
• CERNに世界的水準のニュートリノ計画を確立することで、ヨーロッパ素粒子物理学戦略を支援する。
• ニュートリノ断面積および最終状態のハドロン相互作用に関する知識の向上により、長基準長および短基準長ニュートリノ振動実験における系統的不確実性を低減する。
• ニュートリノ-核散乱の決定的測定を目的とした近接検出器のセットを設計および評価する。
• ミューオン冷却実験の実現可能性を調査し、ミューオン貯蔵リングおよびビーム診断装置の設計に貢献する。

提案手法

• 専用のターゲットステーションで100 GeVまたは400 GeVの陽子ビームを抽出し、パイオニオンを生成する。
• ビームラインを通じてパイオニオンをミューオン貯蔵リングに輸送し、崩壊によって高強度で集束されたニュートリノビームを生成する。
• 効率的なミューオンの閉じ込めとビームの集束を実現するため、大スルーレイ、放射線耐性を持つ超伝導磁石を貯蔵リングに採用する。
• SPSビーム構造を用いたビーム計測技術を導入し、ビームの再グループ化とミューオン崩壊に起因する電子背景をモニタリングする。
• 貯蔵リングにおけるパイオニオン捕集磁石、冷却系、放射線効果に関する詳細な工学的調査を実施する。
• ニュートリノ-核断面積の測定およびステアーリルニュートリノ探索に最適化されたモジュール式の近接検出器のセットを設計する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 CERNに設置された貯蔵ミューオンニュートリノ源が、ニュートリノ-核散乱の高精度測定に必要なビーム強度と制御を達成できるか。
• RQ2 既存のCERN北地区インfrastrutureを新たなニュートリノ施設に適応させる技術的および工学的課題は何か。
• RQ3 ミューオン貯蔵リングのビームダイナミクスおよび診断技術をどのように最適化すれば、バックグラウンドを最小限に抑えながらニュートリノ出力を最大化できるか。
• RQ4 同じ施設を将来的なミューオン冷却実験に使用する可能性はどの程度か。
• RQ5 CERNのCENFおよびLBNOプロジェクトで開発された既存の設計を、nuSTORM施設にどの程度再利用できるか。

主な発見

• nuSTORM施設は、貯蔵ミューオンから得られる良好にキャリブレーションされたニュートリノビームを提供する点で他に類がなく、ニュートリノ-核散乱断面積の決定的測定が可能となる。
• CERNのSPSビームラインおよび北地区インfrastrutureを活用することで、陽子抽出およびビーム輸送が可能となり、新設建設の必要性が低減される。
• CENFおよびLBNOプロジェクトのターゲットステーションおよびビームラインの既存設計は、nuSTORMのターゲットおよびパイオニオン輸送システムの強固な基盤を提供する。
• 超伝導磁石、放射線効果、冷却系に関する詳細な工学的調査は、貯蔵リングの性能と耐久性を確保するために不可欠である。
• この施設は、振動物理学およびステアーリルニュートリノ探索の両方を目的とした近接検出器のセットを支援でき、検出器設計は共同で開発される。
• 技術的設計および主要部品の評価に貢献するため、CERNフェローおよび研究学生の支援をCERNに要請する。