[論文レビュー] nuSTORM - Neutrinos from STORed Muons: Proposal to the Fermilab PAC

D. Adey, Sanjib Kumar Agarwalla+111 more|arXiv (Cornell University)|Jul 31, 2013

Muon and positron interactions and applications被引用数 15

ひとこと要約

nuSTORMは、フェルミラブで保存された3.8 GeV/cのミューオンを用いて、強力で正確に校正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専用ニュートリノ施設を提案する。これにより、1%レベルの精度でニュートリノ-核反応断面積を測定でき、ステアーリルニュートリノ振とうに対して10σの感度を達成する。また、将来のミューオン加速器のプロトタイプとしても機能する。

ABSTRACT

The nuSTORM facility has been designed to deliver beams of electron neutrinos and muon neutrinos (and their anti-particles) from the decay of a stored muon beam with a central momentum of 3.8 GeV/c and a momentum acceptance of 10%. The facility is unique in that it will: 1. Allow searches for sterile neutrinos of exquisite sensitivity to be carried out; 2. Serve future long- and short-baseline neutrino-oscillation programs by providing definitive measurements of electron neutrino and muon neutrino scattering cross sections off nuclei with percent-level precision; and 3. Constitutes the crucial first step in the development of muon accelerators as a powerful new technique for particle physics. The document describes the facility in detail and demonstrates its physics capabilities. This document was submitted to the Fermilab Physics Advisory Committee in consideration for Stage I approval.

研究の動機と目的

• 保存されたミューオンからの正確に校正されたニュートリノビームを用いて、ステアーリルニュートリノの決定的探索を実施すること。
• νₑおよびνₘᵤのニュートリノ-核散乱断面積を1%レベルの精度で測定すること。
• 6次元イオン化冷却と高度な磁石設計の実証を通じて、将来のミューオン加速器の技術的基盤を提供すること。
• 正確なビームおよび検出器の特徴付けを通じて、長基準距離および短基準距離のニュートリノ振動計画の基盤を固めること。

提案手法

• 3.8 GeV/cの保存ミューオンビーム（10%の運動量エネルギー範囲）を用い、加速器の崩壊リング内でμ⁺/μ⁻崩壊によりニュートリノを生成する。
• 2000 mの基準距離に磁化された鉄ニュートリノ検出器と、20 mの近接検出器を設置し、活性-ステアーリル振動を出現および消失両チャネルで分析する。
• 大容量で一様な磁場（最大0.58 T）を生成するための超伝導トランスミッションライン（STL）概念を採用し、大型真空冷却タンクを回避する。
• 150ターンのソレノイドを、STLケーブルを用い、7500 mの超伝導ケーブルを4.5–6.0 Kの超臨界定常ヘリウムで冷却することで、高い磁場一様性と機械的安定性を達成する。
• 熱負荷を低減し、冷却状態を維持するために、40層のマルチレイヤー超断熱材と押出成形アルミ熱シールドを適用する。
• 鉄製エンドウォール（1 m 厚さ）を用いて磁場性能をシミュレートし、50 kAの励磁電流で平均磁場が約0.58 Tに達するように一様性を向上させる。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 nuSTORMは、νₑ → νₘᵤ出現チャネルにおいて、現在許容されているステアーリルニュートリノ振動パラメータ領域を10σの有意水準で除外できるか？
• RQ2 νₑの消失チャネルにおけるステアーリル状態への振動による感度はどの程度か。また、観測された兆候を明確に除外できるか？
• RQ3 正確に校正されたビームと検出器構成を用いて、νₑおよびνₘᵤのニュートリノ-核断面積を1%レベルの精度で測定できるか？
• RQ4 大容量で高一様性の磁場（最大0.58 T）を生成する超伝導トランスミッションライン（STL）概念は、大型真空冷却タンクを必要とせず、検出器ソレノイドに適用可能か？
• RQ5 STLベースの磁石設計は、従来の超伝導コイルにおける主要コスト要因である大型真空冷却タンクを低減しつつ、磁場品質と熱的安定性を維持できるか？

主な発見

• nuSTORMビームは、νₑ → νₘᵤ出現チャネルにおいて、現在許容されているステアーリルニュートリノ振動パラメータ領域を10σの有意水準で除外可能である。
• νₑ消失チャネルにおいて、nuSTORMはステアーリルニュートリノ振動の現在許容されている全領域を統計的パワーで除外できる。
• 正確に定義されたビームおよび検出器構成を用いることで、νₑおよびνₘᵤのニュートリノ-核散乱断面積を約1%の精度で測定可能である。
• 鉄製エンドウォール（1 m 厚さ）を用いたSTLベースのソレノイド設計は、50 kAの励磁電流で平均磁場0.58 Tを達成し、xz平面における優れた磁場一様性を実現した。
• STLソレノイドに作用する最大径方向および軸方向の力は、それぞれ16 kN/mおよび40 kN/mであり、運用条件下での機械的妥当性を示している。
• STLの推定コストは約1 mあたり500ドルであり、従来の超伝導コイルにおける大型真空冷却タンクというコストドライバーを顕著に低減している。