[論文レビュー] Physics at a Neutrino Factory

Carl H. Albright, Greg W. Anderson+64 more|arXiv (Cornell University)|Aug 25, 2000

Particle accelerators and beam dynamics被引用数 11

ひとこと要約

本論文は、ニュートリノ振動パラメータを高精度に測定できる次世代施設として、ミューオン貯蔵リングを用いたニュートリノファクトリーを提案している。特に、未解明の混合角 𝜃₁₃ とレプトン系におけるCP対称性の破れを測定することを目的としている。20 GeVのミューオンビームと10²⁰回のミューオン崩壊を想定し、𝜈̄ₑ→𝜈̄_𝜇 および 𝜈ₑ→𝜈_𝜇 開放率の高精度測定が可能であることを示している。2000 kmを超える基準距離では、ニュートリノ質量階層とCP対称性の破れの両方に高い感度を持つことが明らかになった。

ABSTRACT

In response to the growing interest in building a Neutrino Factory to produce high intensity beams of electron- and muon-neutrinos and antineutrinos, in October 1999 the Fermilab Directorate initiated two six-month studies. The first study, organized by N. Holtkamp and D. Finley, was to investigate the technical feasibility of an intense neutrino source based on a muon storage ring. This design study has produced a report in which the basic conclusion is that a Neutrino Factory is technically feasible, although it requires an aggressive R&D program. The second study, which is the subject of this report, was to explore the physics potential of a Neutrino Factory as a function of the muon beam energy and intensity, and for oscillation physics, the potential as a function of baseline.

研究の動機と目的

• 現在の実験を上回るニュートリノ振動パラメータを測定するため、ミューオン貯蔵リングを用いたニュートリノファクトリーの物理学的ポテンシャルを評価すること。
• 特に 𝜈ₑ→𝜈_𝜇 および 𝜈̄ₑ→𝜈̄_𝜈̄_𝜇 開放率の測定を通じて、レプトン系におけるCP対称性の破れに対する感度を特定すること。
• 長基準距離実験における物質効果を用いたニュートリノ質量階層の測定可能性を評価すること。
• 高強度・高制御性のニュートリノビームがもたらす非振動物理学の機会、例えば正確な核子構造の測定やミューオン-電子変換のような希少過程の研究を検討すること。
• アップグレードされた従来型ニュートリノビームと比較し、ニュートリノファクトリーの物理学的到達範囲を評価し、今後の研究開発の優先順位を示唆すること。

提案手法

• ミューオン貯蔵リングを用いて、ミューオンの崩壊（𝜇⁻ → e⁻𝜈̄_𝜇𝜈ₑ および 𝜇⁺ → e⁺𝜈_𝜇𝜈̄ₑ）により、高強度で良好にコリメート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と反ニュートリノのビームを生成する。
• ミューオンの電荷、運動量、スピンをもとにビームのフラックスと組成をモデル化し、ニュートリノのフレーバーとエネルギースペクトルを精密に制御可能であることを示す。
• 長基準距離（2000 km以上）におけるニュートリノ振動のモンテカルロシミュレーションを実施し、物質効果と質量階層の決定法を検討する。
• 𝛿𝑚²₃₂ の符号と 𝜃₁₃ 混合角に依存する 𝜈ₑ→𝜈_𝜇 と 𝜈̄ₑ→𝜈̄_𝜇 開放率の比較を通じて、CP対称性の破れに対する感度を分析する。
• 誤符号ミューオンおよびタウレプトンの効率的同定を可能とするために、長基準距離実験に50 ktの有効質量が必要であることを評価する。
• ビームエネルギー（最大50 GeV）と強度（1年あたり10¹⁹〜10²¹回のミューオン崩壊）が、特にチーマー生成や標準模型パラメータの測定における物理学的到達範囲に与える影響を検討する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 20 GeVのミューオンを用いたニュートリノファクトリーは、従来のビームでは困難な混合角 𝜃₁₃ の高精度測定を達成できるか？
• RQ2 ニュートリノファクトリーは、レプトン系におけるCP対称性の破れに対してどの程度の感度を持つのか？また、𝛿𝑚²₃₂ の符号にどのように依存するか？
• RQ3 2000 kmを超える基準距離は、物質効果の定量的評価とニュートリノ質量階層の決定に有効か？
• RQ4 ニュートリノファクトリーの物理学的到達範囲は、アップグレードされた従来型ニュートリノビームと比較してどの程度か？
• RQ5 高強度で高制御性のニュートリノビームが、ニュートリノファクトリーにどのような非振動物理学の機会をもたらすか？

主な発見

• 20 GeVのニュートリノファクトリーと10²⁰回のミューオン崩壊を想定した場合、𝜈̄ₑ→𝜈̄_𝜇 と 𝜈ₑ→𝜈_𝜇 開放率の比は、𝛿𝑚²₃₂ の符号に依存する範囲をとるが、そのバンド幅はCP対称性の破れの許容範囲を反映している。
• 物質効果を観測し、ニュートリノ質量階層を高信頼性で決定するには、2000 kmを超える基準距離が必要である。
• ニュートリノファクトリーは、特に従来のビームではアクセスが難しい 𝜃₁₃ を含め、すべての振動パラメータを高精度で測定可能である。
• ニュートリノファクトリーは、従来のソースと比較してビーム強度が10⁴〜10⁵倍高いため、ニュートリノを用いた核子スピン構造の測定のような新規実験が可能になる。
• 長基準距離実験においてタウレプトンの出現と誤符号ミューオンを効率的に観測するには、50 ktの検出器が必要である。
• 本研究では、年間10¹⁹回以上のミューオン崩壊を必要とするニュートリノファクトリーに、明確な物理学的根拠があると判明した。年間10²¹回の崩壊を実現する施設では、CP対称性の破れの決定的測定が可能となる。