[論文レビュー] PINGU Sensitivity to the Neutrino Mass Hierarchy

IceCube|arXiv (Cornell University)|Jun 25, 2013

Astrophysics and Cosmic Phenomena参考文献 4被引用数 14

ひとこと要約

PINGUは、南極のアイスカウ・ディープコア検出器のアップグレードであり、大気中ニュートリノを用いてニュートリノ質量階層を明確に測定することを目的としている。検出器の幾何構造と解析効率に応じて、1年あたり2.1–3.4 sigmaの感度が予想され、2016/17年の導入を想定すれば2020年までに3 sigmaの測定が達成されると予想される。

ABSTRACT

The neutrino mass hierarchy is one of the few remaining unknown parameters in the neutrino sector and hence a primary focus of the experimental community. The Precision IceCube Next Generation Upgrade (PINGU) experiment, to be co-located with the IceCube DeepCore detector in the deep Antarctic glacier, is being designed to provide a first definitive measurement of the mass hierarchy. We have conducted feasibility studies for the detector design that demonstrate a statistically-limited sensitivity to the hierarchy of 2.1 sigma to 3.4 sigma per year is possible, depending on the detector geometry (20 to 40 strings) and analysis efficiencies. First studies of the effects of systematic and theoretical uncertainties show limited impact on the overall sensitivity to the hierarchy. Assuming deployment of the first array elements in the 2016/17 austral summer season a 3 sigma measurement of the hierarchy is anticipated with PINGU in 2020.

研究の動機と目的

• ニュートリノ物理学における重要な未知の問題であるニュートリノ質量階層を特定すること。
• PINGU検出器を用いて質量階層の決定的測定を達成可能かどうかを評価すること。
• 系統的および理論的不確実性が感度に与える影響を評価すること。
• 質量階層の3 sigma測定に至るまでのタイムラインを推定すること。

提案手法

• 20〜40本のストリングを有するPINGU検出器設計の実現可能性調査を行い、ニュートリノ質量階層への感度を評価した。
• 理想的な解析効率を仮定した上で、統計的制限に基づいて感度を評価した。
• 系統的および理論的不確実性をモデル化し、質量階層への感度に与える影響を評価した。
• 深部南極氷中での大気中ニュートリノの相互作用に基づいて感度予測を行った。
• 最初のアレイ要素が2016/17年の南半球夏に導入されると想定してタイムラインを推定した。
• 1年間の運用ごとの感度を計算し、3 sigmaの有意水準に達するまでの期間を予測した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 PINGUは、1年間の運用でニュートリノ質量階層に対してどの程度の感度を達成できるか？
• RQ2 検出器の幾何構造（ストリング数）は、質量階層への感度にどのように影響するか？
• RQ3 系統的および理論的不確実性は、質量階層への感度をどの程度低下させるか？
• RQ4 PINGUを用いてニュートリノ質量階層の3 sigma測定はいつごろ達成できるか？

主な発見

• PINGUは、検出器の幾何構造と解析効率に応じて、1年あたり2.1～3.4 sigmaの感度を達成できる。
• 系統的および理論的不確実性は、質量階層への全体的な感度にほとんど影響しない。
• 最初のアレイ要素が2016/17年の南半球夏に導入されれば、2020年までにニュートリノ質量階層の3 sigma測定が達成されると予想される。
• 予想される感度は統計的制限に依存しており、これは統計的精度が階層測定において主導的要因であることを示している。
• 感度の範囲（2.1–3.4 sigma/年）は、検出器の構成と解析性能の差異に起因する。
• 早期の導入と安定した運用を想定すれば、4年間の運用で3 sigmaの結果に到達するタイムラインは現実的である。