[論文レビュー] Oscillation Measurements with Upgraded Conventional Neutrino Beams

V. Barger|ArXiv.org|Mar 5, 2001

Neutrino Physics Research被引用数 5

ひとこと要約

本論文は、メガワットスケールのプロトンドライバーをアップグレードして高強度ニュートリノスーパibriを生成することを提案し、次世代実験と比較して$\nu_\mu\to\nu_e$振動に対する感度を10倍向上させることを示している。大規模な検出器（例：30 kt液体アルゴン）を用いることで、$\sin^2 2\theta_{13} \gtrsim 0.003$が3σの有意水準で探査可能であり、長基準距離設定では$\sin^2 2\theta_{13} \gtrsim 0.01$の範囲でニュートリノ質量階層が特定可能となる。また、パrameter spaceの限定的領域においてCP対称性の破れが観測可能である可能性がある。

ABSTRACT

We consider the nu_mu to nu_e oscillation measurements that would be possible at upgraded 1 GeV and multi-GeV conventional neutrino sources driven by future megawatt-scale proton drivers. If these neutrino superbeams are used together with detectors that are an order of magnitude larger than those presently foreseen, we find that the sensitivity to nu_mu to nu_e oscillations can be improved by an order of magnitude beyond the next generation of accelerator based experiments. In addition, over a limited region of parameter space, the neutrino mass hierarchy can be determined with a multi-GeV long baseline beam. If the Large Mixing Angle MSW solution correctly describes the solar neutrino deficit, there is a small corner of allowed parameter space in which maximal CP-violation in the lepton sector might be observable at a 1 GeV medium baseline experiment. Superbeams with massive detectors would therefore provide a useful tool en route to a neutrino factory, which would permit a further order of magnitude improvement in sensitivity, together with a more comprehensive check of CP-violation and the oscillation framework.

研究の動機と目的

• メガワットスケールのプロトンドライバーから生成されるニュートリノスーパibriの物理学的ポテンシャルを評価し、ニュートリノファクトリーへの橋渡しとすること。
• 現在の設計と比較して1桁大きい検出器を組み合わせた場合、$\nu_\mu\to\nu_e$振動に対する感度が著しく向上するかどうかを評価すること。
• これらのアップグレードされたスーパibri施設を用いて、ニュートリノ質量階層の測定とレプトン系におけるCP対称性の破れの探査が可能かどうかを検討すること。
• 特に小さな$\sin^2 2\theta_{13}$値を探査する際の、スーパibriの感度と将来のニュートリノファクトリーの感度を比較すること。

提案手法

• 1 GeVおよび複数GeVのプロトンドライバー（例えば、アップグレードされたJHFやフェルミラブ施設）からのニュートリノスーパibriをモデル化し、最大4 MWのビーム強度を想定する。
• 現在の長基準距離実験と比較して1桁大きい質量を持つ検出器を想定し、具体的には30 kt液体アルゴン検出器および10 kt水チェレンコフ検出器を想定する。
• $\pi^0$生成および$\nu_\tau$の電荷現在反応によるバックグラウンドをモデル化し、異なる状況下での信号純度と$ f_B $（バックグラウンド比率）を評価する。
• 3年間のニュートリノ走行と6年間のアンチニュートリノ走行を想定し、$(\delta m^2_{21}, \sin^2 2\theta_{13})$平面における3σ有意水準の感度領域を評価する。
• 年間$2\times10^{20}$回のミューオン崩壊を想定したニュートリノファクトリーの$\nu_e\to\nu_\mu$振動の感度と比較し、スーパibriの$\nu_\mu\to\nu_e$振動の感度を評価する。
• ビームエネルギー、基準距離、検出器技術、$\delta m^2_{32}$の符号の決定が感度および発見可能性に与える影響を評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 メガワットスケールのプロトンドライバーからのニュートリノスーパibriは、次世代実験と比較して$\nu_\mu\to\nu_e$振動に対する感度を1桁向上させることができるか？
• RQ2 1 GeVの中基準距離スーパibriと大規模な液体アルゴン検出器を用いた場合、$\sin^2 2\theta_{13}$の最小値はどれくらいの水準で3σ有意水準で探査可能か？
• RQ3 どのような条件下で、複数GeVの長基準距離スーパibriを用いてニュートリノ質量階層を特定できるか？
• RQ4 太陽ニュートリノの欠損をLMA MSW解が説明する場合、1 GeVのスーパibri実験でレプトン系におけるCP対称性の破れが観測可能か？
• RQ5 小さな$\sin^2 2\theta_{13}$値を探査する際、スーパibriの感度はニュートリノファクトリーと比べてどの程度か？

主な発見

• 1 GeVの中基準距離スーパibriに30 ktの液体アルゴン検出器を用いる場合、バックグラウンド比率$ f_B \approx 0.004 $を仮定すると、$\sin^2 2\theta_{13} \gtrsim 0.003$の範囲で$\nu_\mu\to\nu_e$信号が3σの有意水準で観測可能である。
• 複数GeVの長基準距離スーパibriに30 ktの液体アルゴン検出器を用いる場合、基準距離$ L \gtrsim 3000 $ kmの条件下で$\delta m^2_{32}$の符号（したがってニュートリノ質量階層）を特定可能であり、$\sin^2 2\theta_{13} \gtrsim 0.01$の範囲で成立する。
• $\nu_\mu\to\nu_e$信号に対する主なバックグラウンドは、中性荷電現在反応における$\pi^0$生成および$\nu_\tau$の電荷現在反応であり、特にビームエネルギーが5 GeVを超える領域で顕著である。
• バックグラウンド比率$ f_B $を0.01未満に著しく低下させられるのは液体アルゴン検出器に限られるため、高感度測定には不可欠である。
• スーパibriの$\nu_\mu\to\nu_e$感度は、副次的質量スプリング$\delta m^2_{21}$にほとんど依存せず、$\sin^2 2\theta_{13}$の感度範囲は数$\times 10^{-3}$程度に達する。
• LMA MSW解と整合的なパrameter spaceの小さな領域では、1 GeVのスーパibri実験でレプトン系におけるCP対称性の破れが観測可能である可能性があるが、複数GeVのスーパibriでは明確な信号を得るのは難しい。