[論文レビュー] Optimised sensitivity to leptonic CP violation from spectral information: the LBNO case at 2300 km baseline

LBNO Collaboration, Sanjib Kumar Agarwalla+158 more|arXiv (Cornell University)|Dec 1, 2014

Neutrino Physics Research参考文献 12被引用数 20

ひとこと要約

この論文は、2300 kmの基準長の長基準長ニュートリノ観測所（LBNO）において、スペクトル情報によるレプトンのCP対称性破れの感度を最大化するようにニュートリノビームスペクトルを最適化する。遺伝的アルゴリズムを用いて、最初のおよび第二の振動最大値の両方を活用することで、CP対称性破れの発見可能性が著しく向上し、ニュートリノと反ニュートリノの非対称性に依存する必要が減少し、系統誤差に対してより頑健になることが示された。

ABSTRACT

One of the main goals of the Long Baseline Neutrino Observatory (LBNO) is to study the $L/E$ behaviour (spectral information) of the electron neutrino and antineutrino appearance probabilities, in order to determine the unknown CP-violation phase $δ_{CP}$ and discover CP-violation in the leptonic sector. The result is based on the measurement of the appearance probabilities in a broad range of energies, covering t he 1st and 2nd oscillation maxima, at a very long baseline of 2300 km. The sensitivity of the experiment can be maximised by optimising the energy spectra of the neutrino and anti-neutrino fluxes. Such an optimisation requires exploring an extended range of parameters describing in details the geometries and properties of the primary protons, hadron target and focusing elements in the neutrino beam line. In this paper we present a numerical solution that leads to an optimised energy spectra and study its impact on the sensitivity of LBNO to discover leptonic CP violation. In the optimised flux both 1st and 2nd oscillation maxima play an important role in the CP sensitivity. The studies also show that this configuration is less sensitive to systematic errors (e.g. on the total event rates) than an experiment which mainly relies on the neutrino-antineutrino asymmetry at the 1st maximum to determine the existence of CP-violation.

研究の動機と目的

• 長基準長ニュートリノ振動からの詳細なスペクトル情報を利用して、ニュートリノ系におけるレプトンのCP対称性破れの感度を向上させること。
• 単一の最初の振動最大値およびニュートリノと反ニュートリノの非対称性に依存する実験の感度が限られるという課題に対処すること。
• 全イベント数の系統誤差に依存するのを減らすために、複数の最大値を持つスペクトルデータを活用すること。
• 複雑なビームラインパラメータを介して、遺伝的アルゴリズムを用いてニュートリノビームエネルギースペクトルを最適化すること。
• 最初のおよび第二の振動最大値が、CP対称性破れ位相δCPの高精度な決定に不可欠であることを示すこと。

提案手法

• プロトンビーム、標的、フォーカス要素を含むビームラインパラメータに基づいて、ニュートリノおよび反ニュートリノビームのエネルギースペクトルを最適化する遺伝的アルゴリズムの使用。
• 2300 kmの基準長における最初および第二の振動最大値をカバーする広範なエネルギー範囲で、ニュートリノおよび反ニュートリノの出現確率をシミュレート。
• 20–70 ktonの質量を持つ二相型液体アルゴンタイムプロジェクションチェンバ（TPC）検出器を用いて、電子型イベントを測定し、エネルギースペクトルを再構築。
• 同一の検出器設定下で、標準的プロトンビーム（SPS）と高出力プロトン源（HPPS）ビームの感度性能を比較。
• 2.5 GeVのエネルギーカット（例：2.5 GeV）を適用し、第二の振動最大値がCP対称性破れ感度に与える影響を分離。
• 3σおよび5σの信頼水準におけるδCPパラメータ空間の被覆率を用いて、発見可能性を定量化。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 第二の振動最大値を含めることで、長基準長実験におけるレプトンのCP対称性破れの感度はどのように向上するか？
• RQ2 遺伝的アルゴリズムによるビームスペクトル最適化は、LBNOにおけるCP対称性破れ発見可能性をどの程度向上させるか？
• RQ3 SPSおよびHPPSビーム設定におけるLBNOの感度は、3σおよび5σレベルでのδCP被覆率に関して、どのように比較されるか？
• RQ4 2.5 GeV未満のイベントを除外すること（つまり、第二の最大値の情報を取り除くこと）は、全体のCP対称性破れ感度にどのような影響を与えるか？
• RQ5 従来の方法に比べ、最適化されたビーム設定は全イベント数の系統誤差に対してどの程度頑健か？

主な発見

• 20 ktonのLBNO検出器とSPSビームを用いる場合、δCP値の45％に対して3σのCP対称性破れ感度を達成し、70 ktonの検出器を用いることで63％に向上する。
• 5σでは、70 ktonの検出器を用いたSPSベースの設定で、δCPパラメータ空間の35％をカバーし、顕著な発見可能性を示す。
• HPPSビーム設定では、5σの感度がδCP値の65％、3σの感度が80％のパラメータ空間をカバーでき、SPSを著しく上回る。
• 2.5 GeV未満のイベントを除外することで（第二の最大値の情報が失われる）、70 ktonのHPPSケースでは5σ発見被覆率が半分以下に低下する（65％から28％に）。
• 第二の振動最大値はCP対称性破れ感度に極めて重要であり、17％の信号イベント損失が、発見可能性に顕著な低下をもたらす。
• 最適化されたビーム設定は、最初の最大値でのニュートリノと反ニュートリノ非対称性に依存する方法よりも、全イベント数の系統誤差に対して感受性が低い。