[論文レビュー] Opportunities for Neutrino Physics at the Spallation Neutron Source: A White Paper

A. Bolozdynya, F. Cavanna+17 more|arXiv (Cornell University)|Nov 22, 2012

Neutrino Physics Research参考文献 75被引用数 28

ひとこと要約

このホワイトペーパーは、オールドリッジ国立研究所のスパリレーション中性子源（SNS）を、高強度でパルス状の停止π中性子が生成するニュートリノ源として活用することを提案している。この源は、背景が最小限に抑えられ、約30 MeVのνμおよびν̄μを放出し、ニュートリノの振動、断面積、および共鳴的弾性ニュートリノ-核子散乱の高精度測定を可能にする。SNSの60 Hz、1マイクロ秒未塔のパルスは、10⁻³〜10⁻⁴のバックグラウンド抑制を可能とし、ステルア・ニュートリノ探索のためのOscSNSや、1年間に1470イベントが予想される共鳴的散乱を検出するRED100といった実験を支援する。

ABSTRACT

The Spallation Neutron Source (SNS) at Oak Ridge National Laboratory, Tennessee, provides an intense flux of neutrinos in the few tens-of-MeV range, with a sharply-pulsed timing structure that is beneficial for background rejection. In this document, the product of a workshop at the SNS in May 2012, we describe this free, high-quality stopped-pion neutrino source and outline various physics that could be done using it. We describe without prioritization some specific experimental configurations that could address these physics topics.

研究の動機と目的

• SNSを高品質でパルス状の停止π中性子ニュートリノ源として活用し、ニュートリノ物理学の高精度測定を実現すること。
• 超新星ニュートリノ物理学に不可欠な10–50 MeVエネルギー領域におけるニュートリノ-核断面積に関する実験的データの不足を解消すること。
• ニュートリノ振動および特異な崩壊を介して、軽いステルアニュートリノや隠れたセクター粒子の探索を可能にすること。
• 低しきい値検出器を用いて共鳴的弾性ニュートリノ-核子散乱（CEυNS）を測定し、標準模型の検証および非標準的相互作用の探査を行うこと。
• アルゴン、 lead、水、炭素標的に高精度な断面積データを提供することで、国際的なニュートリノ検出器共同研究を支援すること。

提案手法

• SNSの60 Hz、1マイクロ秒未塔の陽子パルスを用い、パイオンを生成し、標的に停止させて静止状態で崩壊させ、30 MeV付近の単色性νμを生成する。
• SNSパルスの明確な時間構造を活用し、飛行時間タギングによるバックグラウンド抑制を実現し、10⁻³〜10⁻⁴の抑制率を達成する。
• OscSNS（800トンのシンチレーション検出器）やRED100（100kgの液体キセノン）といった大容量・低しきい値検出器を導入し、CEυNS やステルアニュートリノ振動といったレアプロセスを検出する。
• 可動式で磁場をかける検出器を設計し、トラッキングおよびカロリメーターシステムを備えて、崩壊頂点を走査し、パラフォトンのような隠れたセクター粒子の質量を再構成する。
• 詳細なモンテカルロシミュレーションを実施し、検出器の配置最適化、生成および崩壊の運動学的要因の考慮、検出器の受容率およびバックグラウンド抑制のモデル化を行う。
• 二重レプトンまたは二重メソン対のインバリアント質量再構成を用いて、特定のモデルに依存しない形で、隠れたセクター粒子の結合定数および寿命を調査する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 SNSの停止パイオンニュートリノビームは、LSNDの異常を検証し、高感度でステルアニュートリノ振動を探索するために使用可能か？
• RQ2 アルゴン、 lead、炭素、水における10–50 MeVエネルギー領域のニュートリノ-核断面積は何か？ また、これらは超新星ニュートリノ検出や質量階層の決定にどのような影響を及えるか？
• RQ3 次世代の低しきい値検出器を用いて、SNSで共鳴的弾性ニュートリノ-核子散乱を観測可能か？ また、非標準的ニュートリノ相互作用にどのような制限を課えるか？
• RQ4 可動式で磁場をかける検出器は、中間的寿命（10⁻¹⁰〜10⁻⁴ s）を有する隠れたセクター粒子に対してどの程度の感度を示すか？ また、パラフォトンに類似した状態の探査にどのように寄与できるか？
• RQ5 現在および将来のニュートリノ実験に特に関連する標的に適した、断面積測定に最適化されたSNSニュートリノフラックスは、系統的不確実性を最小限に抑えてどのように実現できるか？

主な発見

• SNSは、1フレーバーあたり約10⁷ cm⁻²s⁻¹のフラックスを有する高品質なパルス状ニュートリノビームを生成し、主に停止パイオンの崩壊による30 MeVのνμが支配的であり、飛行中崩壊の寄与は最小限に抑えられている。
• 60 Hz、1マイクロ秒未塔のパルス構造により、バックグラウンド抑制率が10⁻³〜10⁻⁴に達し、稀なプロセスの感度が顕著に向上する。
• OscSNS実験のコンセプト（800トンのシンチレーション検出器）は、現在の限界を超える感度でステルアニュートリノ振動を探索可能であり、LSNDの異常の検証も可能である。
• RED100実験（SNS標的から40 m離れた100kgの液体キセノン検出器）では、1年間に1470件の共鳴的弾性ニュートリノ-核子散乱イベントが予想される。
• モンテカルロシミュレーションの結果、トラッキングおよびカロリメーターシステムを備えた可動式で磁場をかける検出器は、広範な隠れたセクター粒子の寿命および質量範囲を走査でき、パラフォトンや特異な崩壊に対する感度が向上することが示唆された。
• SNSのニュートリノスペクトルは、予想される超新星ニュートリノフラクスに極めて近い形状を示しており、コアコラプスのダイナミクスや核合成を理解する上で極めて重要な断面積測定に最適である。