[論文レビュー] Prospect for Charge Current Neutrino Interactions Measurements at the CERN-PS

P. Bernardini, A. Bertolin+43 more|arXiv (Cornell University)|Nov 7, 2011

Neutrino Physics Research参考文献 33被引用数 18

ひとこと要約

本論文はCERN-PSにおけるNEESiE実験を提案し、鉄および空気を用いた電磁石を装備した2台の分光計（近接：127 m、遠方：850 m）を用いて、ミューオンの運動量と電荷を精密に測定することで、荷電現在ニュートリノ反応を測定することを目的としている。液体アルゴン検出器と組み合わせることで、短基底長ニュートリノの異常を解明し、ステルラーニュートリノの存在を検証するとともに、$ν_{\mu} \rightarrow \nu_{e}$および$\bar{\nu}_{\mu} \rightarrow \bar{\nu}_{e}$遷移を高感度かつ低系統的不確実性で測定することでCP対称性の破れを調査する。

ABSTRACT

Tensions in several phenomenological models grew with experimental results on neutrino/antineutrino oscillations at Short-Baseline (SBL) and with the recent, carefully recomputed, antineutrino fluxes from nuclear reactors. At a refurbished SBL CERN-PS facility an experiment aimed to address the open issues has been proposed [1], based on the technology of imaging in ultra-pure cryogenic Liquid Argon (LAr). Motivated by this scenario a detailed study of the physics case was performed. We tackled specific physics models and we optimized the neutrino beam through a full simulation. Experimental aspects not fully covered by the LAr detection, i.e. the measurements of the lepton charge on event-by-event basis and their energy over a wide range, were also investigated. Indeed the muon leptons from Charged Current (CC) (anti-)neutrino interactions play an important role in disentangling different phenomenological scenarios provided their charge state is determined. Also, the study of muon appearance/disappearance can benefit of the large statistics of CC muon events from the primary neutrino beam. Results of our study are reported in detail in this proposal. We aim to design, construct and install two Spectrometers at "NEAR" and "FAR" sites of the SBL CERN-PS, compatible with the already proposed LAr detectors. Profiting of the large mass of the two Spectrometers their stand-alone performances have also been exploited.

研究の動機と目的

• LSNDで観測された$\bar{\nu}_\mu \rightarrow \bar{\nu}_e$遷移およびガリウム実験における$\nu_e$消失を含む未解決の短基底長ニュートリノの異常を解消する。
• 広いエネルギー範囲にわたる$\nu_\mu$および$\bar{\nu}_\mu$消失の精密測定を通じて、ステルラーニュートリノの存在を検証する。
• 荷電現在ニュートリノ反応からのミューオンの電荷を測定することで、ビーム中の$\nu_\mu$および$\bar{\nu}_\mu$成分を分離し、CP対称性の破れを検出する上で不可欠である。
• CERN-PSに既存の液体アルゴン検出器を補完する形で分光計を設置し、特に低エネルギーのミューオン検出および電荷識別性能を向上させ、物理学的探査範囲を拡大する。
• OPERA実験の部品を再利用し、抵抗板チャネル（RPCs）やドリフトチューブといった成熟技術を採用することで、コストと建設期間を最小限に抑える。

提案手法

• 近接（127 m）および遠方（850 m）の位置に鉄コアを有する電磁石を用いた2台の分光計を設計し、磁界による偏光を利用してミューオンの運動量と電荷を測定する。
• 低エネルギー領域（数百MeVから数GeV）における運動量分解能を向上させるために、分光計の前面に局所的な空気磁界を導入する。
• アナログおよびデジタル読み出しを備えた抵抗板チャネル（RPCs）を用い、高精度な追跡および電荷識別を実現し、OPERA検出器技術を活用する。
• ビームフラックス、ハーン設計、検出器応答のフルモンテカルロシミュレーションを実施し、ビームパラメータおよび分光計性能の最適化を図る。
• 高密度のミューオン環境における低バックグラウンド・高レート検出に適した、フロントエンド電子回路およびトリガー論理を備えたデータ取得システムを実装する。
• 長期間にわたる運用における電磁石電流および検出器安定性の監視・制御を目的として、スローコントロールシステムおよび電源を導入する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 NEESiE分光計は、LSNDで観測された$\bar{\nu}_\mu \rightarrow \bar{\nu}_e$異常を、ミューオンの電荷および運動量の精密測定によって解消できるか？
• RQ2 NEESiE実験は、全ミューオン運動量範囲にわたって$\nu_\mu$および$\bar{\nu}_\mu$消失に対してどの程度の感度を有するか？ また、その感度はステルラーニュートリノモデルの制約にどのように寄与するか？
• RQ3 荷電現在反応におけるミューオンの電荷識別は、$\nu_\mu \rightarrow \nu_e$および$\bar{\nu}_\mu \rightarrow \bar{\nu}_e$遷移率の測定における系統的不確実性をどの程度低減できるか？
• RQ4 分光計は近接検出器におけるニュートリノフラックス測定をどのように改善するか？ また、その影響はオシレーションパラメータへの感度にどのような効果を及ぼすか？
• RQ5 $\nu_\mu \rightarrow \nu_e$および$\bar{\nu}_\mu \rightarrow \bar{\nu}_e$遷移率の高精度な比較を通じて、NEESiE装置はニュートリノ系におけるCP対称性の破れを検出可能か？

主な発見

• NEESiE分光計は、~200 MeVから5 GeV以上の広いエネルギー範囲でミューオンの運動量と電荷を高分解能で測定可能であり、$\nu_\mu$および$\bar{\nu}_\mu$消失の精密な研究が可能となる。
• 鉄分光計の前面に設けた空気磁界の導入により、低エネルギー領域（数百MeV～数GeV）における運動量分解能が向上し、CC反応に起因する低運動量ミューオンの検出に不可欠となる。
• $\nu_\mu$および$\bar{\nu}_\mu$消失の併合測定により、ステルラーニュートリノモデルに対する高い感度を達成し、第四のステルラーニュートリノ状態の存在を除外または確認する可能性を有する。
• RPCおよびドリフトチューブの使用により、コスト効率が良く、スケーラブルかつ再構成可能な追跡システムを実現でき、OPERA実験の部品を再利用可能である。
• NEESiE実験の総予算は830万ユーロであり、主な構成部品として遠方磁石に250万ユーロ、近接磁石に200万ユーロ、検出器に100万ユーロを要する。予算制約内で実現可能である。
• 分光計は近接検出器におけるニュートリノフラックス測定の系統的不確実性を顕著に低減し、正確なオシレーションパラメータ抽出およびCP対称性の破れ探索に不可欠な基盤を提供する。