[論文レビュー] Physics Potential of Very Intense Conventional Neutrino Beams

J.J. Gómez-Cadenas, A. Blondel+6 more|ArXiv.org|May 29, 2001

Particle accelerators and beam dynamics被引用数 28

ひとこと要約

本論文は、CERNのスーパープロトンリニアック（SPL）から250 MeVの低エネルギー超ビームを提案し、水チェレンコフまたは液体シンチレーション検出器を用いて大気 neutrino パラメータを測定し、CP対称性の破れを調査する。130 kmの基準距離でモダン・ラボラトワールに到達する場合、400 ktonの水検出器を用いることで、θ₁₃ に対して1度未満の精度が得られ、90%信頼水準で最大CP対称性の破れ（δ = ±90°）を区別可能であり、次世代実験とニュートリノ・ファクトリーの中間的な感度を示す。

ABSTRACT

The physics potential of high intensity conventional beams is explored. We consider a low energy super beam which could be produced by a proposed new accelerator at CERN, the Super Proton Linac. Water Cherenkov and liquid oil scintillator detectors are studied as possible candidates for a neutrino oscillation experiment which could improve our current knowledge of the atmospheric parameters and measure or severely constrain the parameter connecting the atmospheric and solar realms. It is also shown that a very large water detector could eventually observe leptonic CP violation. The reach of such an experiment to the neutrino mixing parameters would lie in-between the next generation of neutrino experiments (MINOS, OPERA, etc) and a future neutrino factory.

研究の動機と目的

• CERNのスーパープロトンリニアック（SPL）が生成する非常に低エネルギー（250 MeV）の従来型ニュートリノビームの物理学的ポテンシャルを評価すること。
• 水チェレンコフ検出器および液体シンチレーション検出器が大気ニュートリノパラメータ（δm²ₐₜₘ、θ₂₃、θ₁₃）に与える感度を評価すること。
• 太陽ニュートリノパラメータの上位LMA領域における、レプトンのCP対称性の破れを調べる能力を特定すること。
• 次世代実験（例：MINOS、OPERA）および将来のニュートリノ・ファクトリーと比較して、本実験の性能を評価すること。
• CP対称性の破れを観測するか、θ₁₃ を高精度で測定するために必要な検出器のサイズと運用時間の条件を確立すること。

提案手法

• CERNのSPL加速器が生成する低エネルギー超ビーム（平均250 MeV）をシミュレートし、焦点を当てたπ⁺およびπ⁻ビームを用いてνμおよびν̄μビームを生成する。
• スーパーカミオカンデのツールを用いて、信号効率およびビーム・デバイス由来のバックグラウンドを含めた、水チェレンコフ検出器の応答をフルシミュレーションする。
• フレジュストンネル（モダン・ラボラトワール）への130 kmの基準距離を用い、ビーム系の系誤差を最小限に抑えることで、νμ → νe 違いの感度を推定する。
• 統計誤差およびバックグラウンド補正誤差を含めた、三つのフレーバーの振動フレームワークを用いて、θ₁₃ および δ の信頼水準の等高線を計算する。
• CP対称性の破れに最適化するため、10年間の反ニュートリノ運転（π⁻焦点）と2年間のニュートリノ運転（π⁺焦点）を想定する。
• 中程度の40 ktonおよび大規模な400 ktonの有効質量（UNOに類似）の水チェレンコフ検出器の2種類の検出器サイズについて、性能を評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 SPLから供給される低エネルギー超ビーム（250 MeV）は、次世代実験を上回る精度でθ₁₃ を1度未満の精度で測定可能か？
• RQ2 太陽ニュートリノの解が上位LMA領域にある場合、水チェレンコフ検出器がレプトンのCP対称性の破れ（δ）にどの程度感度を示すか？
• RQ3 検出器質量（40 kton 対 400 kton）が、νμ → νe 振動チャネルにおけるCP対称性の破れの観測能力に与える影響は？
• RQ4 ニュートリノファクトリーのビームと比較して、従来型超ビームの感度を制限する要因（例：カイオン崩壊によるνe 池）はどれほど顕著か？
• RQ5 大気パラメータの精度を1桁向上させるために、どの程度の基準距離と運用時間が必要か？

主な発見

• 130 kmの基準距離に位置する40 ktonの水チェレンコフ検出器は、MINOSなどの次世代実験と比較して、大気パラメータ（δm²ₐₜₘ、θ₂₃）の精度を約1桁向上させられる。
• 同じ検出器は、θ₁₃ が約3°を超える場合にθ₁₃ を測定可能であり、MINOS や OPERA よりも1桁以上高い精度を達成できる。
• 10年間の反ニュートリノ運転と2年間のニュートリノ運転を組み合わせた場合、400 ktonの水チェレンコフ検出器は、90%信頼水準で最大CP対称性の破れ（δ = ±90°）とδ = 0°を区別可能である。
• θ₁₃ の値が小さくても（例：5°〜10°）CP対称性の破れへの感度が著しく低下しないことから、LMA-MSW上位領域においても安定した感度を示す。
• 本実験のδへの感度は、反ニュートリノ断面積がニュートリノ断面積の5分の1程度と小さいことに起因し、CP研究では大規模な検出器が不可欠である。
• 提案された設定は、次世代実験と将来のニュートリノ・ファクトリーの中間的な物理学的到達可能性を示しており、特にθ₁₃ とCP対称性の破れに関してはその特徴が顕著であるが、後者は非常に大規模な検出器を要する。