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

K. Choi|ENLIGHTEN (Jurnal Bimbingan dan Konseling Islam)|Jul 31, 2015

Neutrino Physics Research参考文献 1被引用数 27

ひとこと要約

nuSTORMは、高精度なニュートリノ反応物理学およびステルラーニュートリノ探索を目的として、3.8 GeV/cのミューオンストレージリングを提案する。ミューオンを捕捉し、その崩壊生成物を測定することで、1%未塔のフラックス不確かさとeVスケールのステルラーニュートリノに対する10σの感度を実現する。同時に、将来のミューオン加速器技術の実証施設としても機能する。

ABSTRACT

nuSTORM (Neutrinos from STORed Muons) is a proposed storage ring facility to deliver beams of muon antineutrinos and electron neutrinos from positive muon decays (muon neutrinos and electron antineutrinos from negative muon decays), with a central muon momentum of 3.8 GeV/c and a momentum acceptance of 10%. The facility will allow searches for eV-scale sterile neutrinos at better than 10 sigma sensitivity, it will be able to provide measurements of neutrino and antineutrino-nucleus scattering cross sections with percent-level precision and will serve as a first step towards developing muon accelerators for particle physics. We report on the physics capabilities of the nuSTORM facility and we specify the main features of its design, which does not require any new technology. The flux of the neutrino beam can be determined with percent-level accuracy to perform cross-section measurements for future neutrino oscillation experiments and to resolve the hints for eV-scale sterile neutrinos. nuSTORM may be considered as a first step towards a Neutrino Factory and a Muon Collider.

研究の動機と目的

• イオン化冷却技術を必要とせずに、正確に理解されたフラックスおよびエネルギースペクトルを持つニュートリノビームを生成すること。
• 長基準長ニュートリノ振動実験に不可欠な、0.5–3 GeVエネルギー範囲におけるニュートリノ-核断面積（νe、νμ、ν̄μ）の高精度測定を提供すること。
• 近接および遠方の検出器を用いて、両方のチャンネル（出現：νe → νμ、消滅：νμ → νX）におけるeVスケールのステルラーニュートリノ振動を感受性高く探索すること。
• 将来のミューオンコライダーおよびニュートリノファクトリーに不可欠な、6次元ミューオンイオン化冷却の技術的実証施設としての役割を果たすこと。
• 正確に把握されたニュートリノフラックスおよび断面積を提供することで、将来のCP対称性の破れ測定における系統的不確かさを低減すること。

提案手法

• 3.8 GeV/cのミューオンストレージリングが、磁気ホーンおよびクアッドロール集合系で生成されたパイオングの崩壊から生じるミューオンを捕捉する。
• 5 GeV/cの運動量を持つパイオンがリングに注入され、最初の直線部でミューオンに崩壊し、その後ストレージされ、飛行中に崩壊することでニュートリノを生成する。
• ミューオンの運動量および崩壊長の正確な測定により、ニュートリノフラックスの不確かさを約0.01%（10⁻³）に抑え、高精度な断面積測定を可能にする。
• 近接検出器（約20 m）および遠方検出器（約2,000 m）を用いて、両方のモード（出現および消滅）におけるステルラーニュートリノ振動を探索する。
• 10²¹プロトン・オン・ターゲットのシミュレートされたイベントレートを用い、多変量解析手法を適用して、信号とバックグラウンドの分離を最適化する。
• 施設は、ニュートリノ散乱物理学とミューオン冷却実験を同時に実行可能であり、最初の直線部の終端に3.5 mの鉄パイオン吸収体を設置して高強度のミューオンビームを生成する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 nuSTORMは、ニュートリノフラックスの不確かさを約10⁻³に抑えることができるか。これにより、0.5–3 GeVエネルギー範囲でニュートリノ断面積測定の精度を1%未塔にできるか。
• RQ2 nuSTORMは、eVスケールのステルラーニュートリノに対して、νμ出現およびνμ消滅チャンネルの両方でどれほど感度を持つのか。
• RQ3 nuSTORMは、既存のステルラーニュートリノの兆候と標準的3ニュートリノモデルとの矛盾を10σ以上で解消できるか。
• RQ4 nuSTORMは、正確に把握されたフラックスおよび断面積を提供することで、長基準長ニュートリノ振動実験における系統的不確かさをどの程度低減できるか。
• RQ5 nuSTORMの高強度ミューオンビーム（1パルスあたり最大約10¹⁰ミューオン）は、将来のミューオンコライダーに不可欠な6次元ミューオンイオン化冷却の実証を可能にするか。

主な発見

• nuSTORMは、ニュートリノフラックスの不確かさを約10⁻³に抑え、0.5–3 GeVエネルギー範囲でニュートリノ断面積測定の精度を約1%に達成できる。
• もし信号が観測されない場合、消滅チャンネル（νe → νXおよびν̄μ → ν̄X）におけるeVスケールのステルラーニュートリノの現在許容される領域を99%信頼水準で除外できる。
• νμ出現チャンネルにおいて、nuSTORMは既存のステルラーニュートリノの証拠を10σ以上で除外でき、決定的な感度を持つ。
• 近接および遠方の検出器を併用することで、両方のモード（出現および消滅）におけるステルラーニュートリノ探索を同時に実施でき、全体の感度が向上する。
• nuSTORMは、νe、νμ、ν̄e、ν̄μのCCQE断面積を1%の不確かさで測定でき、将来的な長基準長実験の基準となる。
• 最初の直線部の終端に位置する高強度ミューオンビーム（最大約10¹⁰ミューオン/パルス）により、6次元ミューオン冷却実験が可能となり、将来のミューオン加速器開発にとって重要な一歩となる。