[論文レビュー] NOvA: Present and Future

Gavin S. Davies|arXiv (Cornell University)|Oct 1, 2011

Neutrino Physics Research参考文献 3被引用数 5

ひとこと要約

NOvAは、ミネソタ州アッシュリバーに位置する14キロトンの遠方検出器とフェルミラブの222トンの近方検出器（距離810 km）を用いた長基準長ニュートリノ振動実験であり、2 GeVの狭帯域ニュートリノビーム（NuMIビームライン）を用いてミューオンニュートリノから電子ニュートリノへの振動を研究する。この実験ではθ₁₃の測定、CP対称性の破れの探査、ニュートリノ質量階層の特定を目的としており、2013年にプロトタイプの検証を経てデータ収集を開始した。

ABSTRACT

NOvA is a next generation neutrino oscillation experiment designed to search for muon neutrino to electron neutrino oscillations by comparing electron neutrino event rates in a Near Detector at Fermilab with the rates observed in a large Far Detector at Ash River, Minnesota, 810 km from Fermilab. The detectors are totally active, segmented, liquid scintillator detectors and are located 14 mrad off the NuMI beam axis. The Far Detector has begun construction and will begin taking data in early 2013. The experiment aims to measure the neutrino mixing angle theta_13 and will push the search for electron neutrino appearance beyond the current limits by more than an order of magnitude. For non-zero theta_13, it is possible for NOvA to observe CP violation in neutrinos and establish the neutrino mass hierarchy. The NOvA prototype near detector on the surface (NDOS) began running at Fermilab in November and registered its first neutrinos from the NuMI beam in December 2010. An overview and current status of the experiment will be presented.

研究の動機と目的

• 長基準長実験における電子ニュートリノの出現を用いて、ニュートリノ混合角θ₁₃を高精度で測定すること。
• 近方検出器と遠方検出器のイベント率を比較することで、ニュートリノ質量階層を特定すること。
• νμ→νeとν̄μ→ν̄e振動確率の違いを観測することで、ニュートリノ系におけるCP対称性の破れを探索すること。
• 現在の限界をはるかに上回る10倍以上の感度で、νe出現を向上させること。
• 本格的な遠方検出器の建設に先立ち、NDOSプロトタイプを用いて検出器およびビームラインシステムの検証を行うこと。

提案手法

• 実験は、フェルミラブのNuMIビーム源から810 km離れたミネソタ州アッシュリバーに位置する14キロトンの液体シンチレーター検出器を用いる。検出器は14 mradのオフアースに設置され、振動最大値に最も敏感になるように調整されている。
• フェルミラブに設置された222トンの近方検出器は、初期のニュートリノフラックスとスペクトルを測定し、遠方検出器との間で系統的不確かさを相殺可能にする。
• 検出器はセグメント化されており、液体シンチレーター（5% ピセコルムエニールをミネラルオイルに溶かしたもの）を充填した高反射性のPVCセルで構成され、波長シフト繊維とアバランチフォトダイオード（APD）を用いて光信号を読み取る。
• スリップスタックと改良されたRFシステムにより、ビーム出力を700 kWまで向上させ、プロトン強度を1パルスあたり4.9×10¹³に、年間総出力（POT）を6.0×10²⁰に増加した。
• オフアース配置（14 mrad）によりニュートリノエネルギーを約2 GeVに調整し、高エネルギーの中性子鎖反応によるバックグラウンドを最小限に抑える。
• NDOSプロトタイプからの宇宙線およびニュートリノデータを用いて、再構成アルゴリズムおよび検出器安定性のキャリブレーション、アライメント、検証が行われた。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ニュートリノ混合角θ₁₃の値は何か？ また、その値が非ゼロであることを十分な精度で確認できるか？
• RQ2 NOvAはνμ→νe振動データを用いてニュートリノ質量階層（通常順・逆順）を特定できるか？
• RQ3 νμ→νeとν̄μ→ν̄e振動率の違いを観測することで、ニュートリノ系におけるCP対称性の破れの証拠が得られるか？
• RQ4 ニュートリノフラックスおよび断面積モデルの系統的不確かさは、振動パラメータの測定にどのように影響するか？
• RQ5 NDOSプロトタイプは、本格的な遠方検出器の設計、建設、運用手順の検証にどの程度寄与できるか？

主な発見

• NDOSプロトタイプは2010年10月にデータ収集を開始し、2010年12月にNuMIビームからの最初のニュートリノを正常に検出、検出器設計とビームラインの妥当性を確認した。
• NDOSは逆方向ホーン電流時で5.6×10¹⁹ POT、順方向ホーン電流時で8.4×10¹⁸ POTを収集し、それぞれ1001件および253件のニュートリノ候補イベントを得た。期待される宇宙線バックグラウンドは69件および39件であった。
• 宇宙線再構成を用いて、繊維の減衰に起因する信号パルス高さの差を補正し、検出器セル全体でのエネルギー応答の一様性を向上させた。
• NDOSは、ブロック組立中に約22%のマニホールドカバーが亀裂を生じたことを明らかにした。これにより、遠方検出器用により耐久性の高いカバーが再設計された。
• 表面汚染およびシールの問題により274個のAPDがノイズを発生させたため、遠方検出器用に改善された表面被膜および設置技術が開発された。
• アッシュリバーの遠方検出器建屋は2011年4月に有益な占用状態に達し、14キロトンの検出器の建設は2012年のデータ収集開始に合わせて順調に進行した。