[論文レビュー] Opportunities With Decay-At-Rest Neutrinos From Decay-In-Flight Neutrino Beams

C. Grant, B. R. Littlejohn|OpenBU (Boston University)|Oct 28, 2015

Neutrino Physics Research被引用数 5

ひとこと要約

この論文は、フェルミラブのNuMI加速器の飛行内崩壊ニュートリノビーム施設が、専用のスパラレーション中性子源と同等の低エネルギーニュートリノフラックスを、静止状態崩壊（DAR）過程から生成することを示している。ターゲットまたはビームストップ付近に小型の液体アルゴン検出器を設置すれば、数千ものDARニュートリノ相互作用を観測可能であり、時間的・トポロジー的特徴に基づく分離により、バックグラウンドを最小限に抑えながら、ステルラーニュートリノ、共鳴散乱、超新星ニュートリノ物理学の感受性の高い探索が可能となる。

ABSTRACT

Neutrino beam facilities, like spallation neutron facilities, produce copious quantities of neutrinos from the decay at rest of mesons and muons. The viability of decay-in-flight neutrino beams as sites for decay-at-rest neutrino studies has been investigated by calculating expected low-energy neutrino fluxes from the existing Fermilab NuMI beam facility. Decay-at-rest neutrino production in NuMI is found to be roughly equivalent per megawatt to that of spallation facilities, and is concentrated in the facility's target hall and beam stop regions. Interaction rates in 5 and 60 ton liquid argon detectors at a variety of existing and hypothetical locations along the beamline are found to be comparable to the largest existing decay-at-rest datasets for some channels. The physics implications and experimental challenges of such a measurement are discussed, along with prospects for measurements at targeted facilities along a future Fermilab long-baseline neutrino beam.

研究の動機と目的

• 飛行内崩壊（DIF）ニュートリノビーム施設、特にフェルミラブのNuMIを、静止状態崩壊（DAR）ニュートリノ実験の実現可能性の観点から評価すること。
• 特にターゲットおよびビームストップ付近における、パイオン、ミュオン、カイオンの静止状態崩壊から生じる低エネルギーニュートリノフラックスを、1メガワットのプロトンビーム出力あたりに定量すること。
• ビームラインに沿った既存および仮想の液体アルゴンタイムプロジェクションチェンバー（LArTPC）検出器における相互作用率を評価すること。
• DIF施設におけるDARニュートリノ測定の物理的ポテンシャルと実験的課題を検討すること。これにはバックグラウンド抑制およびフレーバー同定が含まれる。
• 将来の高出力長基準長ニュートリノ施設（例：LBNF）におけるDAR実験の可能性を予測すること。

提案手法

• ターゲット、ハーンズ、崩壊管、ビームストップを含むフルNuMIビームライン幾何構造をモデル化したGeant4ベースのコード「G4NuMI」を用いて、ニュートリノフラックスをシミュレートした。
• パイオン、カイオン、ミュオンの崩壊から生じる静止状態崩壊寄与を追跡し、複数の検出器配置における個々のニュートリノスペクトルおよびフラックスを計算した。
• ターゲットホールおよびビームストップ付近を含む、ビームラインに沿った複数の位置に設置された5トンおよび60トンのLArTPC検出器における相互作用率を予測した。
• 時間構造解析を用いたバックグラウンド抑制戦略を評価した。具体的には、10 μsのビームスパッルと吸収体領域での2.3 μsの遅延を活用し、特定のニュートリノフレーバーを分離した。
• 宇宙線およびビーム関連のバックグラウンドを評価し、外部ミュオンタグギングおよびLArTPCにおけるトポロジカル特徴の分離可能性の可能性を検討した。
• 岩盤および水換算厚さ（m.w.e.）による遮蔽効果が宇宙線バックグラウンドに与える影響をモデル化した。遮蔽およびアクティブバイアスシステムを用いることで、サブドミナントなバックグラウンドが実現可能であると示唆された。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 1メガワットのプロトンビーム出力あたり、NuMIビームライン内で生成される静止状態崩壊ニュートリノの大きさとスペクトル分布はどの程度か？
• RQ2 LArTPC検出器における、NuMIのDARフラックスと専用スパラレーション中性子源からのフラックスとの間で、相互作用率にどのような差があるか？
• RQ3 LArTPCにおける時間的・トポロジカル特徴に基づく解析が、非DARニュートリノ源および宇宙線からのバックグラウンド寄与を効果的に抑制できるか？
• RQ4 既存または近い将来のフェルミラブ施設で、低エネルギーDARニュートリノ（例：μ⁺崩壊からのνₑ）を検出する可能性はどの程度か？
• RQ5 遮蔽厚（過剰岩盤）および検出器配置が、DIF施設におけるDARニュートリノ実験の実現可能性にどのように影響するか？

主な発見

• NuMIビームラインにおける静止状態崩壊プロセスからの低エネルギーニュートリノフラックスは、1メガワットあたりの出力で、専用スパラレーション中性子源と同等の規模である。
• ターゲットまたはビームストップ付近に設置された5トンのLArTPCは、数千もの静止状態崩壊νₑおよびνₘu相互作用を記録可能であり、感受性の高い物理学的研究に十分なデータが得られる。
• 位置（15,20,0）における、10 μsのビームスパッルに基づく時間的カットにより、53 MeV未満のνₘuバックグラウンドは3桁以上低減可能であり、同時にνₑ信号効率の損失は10％未満に抑えられる。
• 45～98メートルの岩盤（120～250 m.w.e.）の過剰岩盤がある場所では、宇宙線バックグラウンドはサブドミナントである。特に外部ミュオンタグギングとトポロジカル特徴分離を併用すれば、より顕著である。
• ビームストップ領域はDARニュートリノの濃度が高く、将来的な専用DAR実験の最適候補地である。
• 将来のフェルミラブにおける高出力長基準長ニュートリノビームは、大量のDAR統計を提供可能であり、大規模LArTPCを用いた超新星のνₑ信号解釈やCP対称性破れ研究において不可欠となる。