[論文レビュー] Prospects for the measurement of muon-neutrino disappearance at the FNAL-Booster

A. Anokhina, A. Bagulya+67 more|arXiv (Cornell University)|Apr 9, 2014

Neutrino Physics Research参考文献 30被引用数 5

ひとこと要約

本論文は、フェルミラブのブースター施設において、110 m（ニア）および710 m（ファー）の距離に再利用されたOPERA形式のスぺクトロメータを2台設置することで、ミューオンニュートリノの消失を測定する短基線ニュートリノ実験を提案する。既存のハードウェアを活用し、1–2%の系統的不確かさを達成することで、Δm² ~ 1 eV²領域においてsin²(2θ_new) < 10⁻²未満の混合角に対する感度を有し、ν_μ系における異常を解明する重要なテストを提供する。

ABSTRACT

Neutrino physics is nowadays receiving more and more attention as a possible source of information for the long-standing problem of new physics beyond the Standard Model. The recent measurement of the mixing angle $θ_{13}$ in the standard mixing oscillation scenario encourages us to pursue the still missing results on leptonic CP violation and absolute neutrino masses. However, puzzling measurements exist that deserve an exhaustive evaluation. The NESSiE Collaboration has been setup to undertake conclusive experiments to clarify the muon-neutrino disappearance measurements at small $L/E$, which will be able to put severe constraints to models with more than the three-standard neutrinos, or even to robustly measure the presence of a new kind of neutrino oscillation for the first time. To this aim the use of the current FNAL-Booster neutrino beam for a Short-Baseline experiment has been carefully evaluated. This proposal refers to the use of magnetic spectrometers at two different sites, Near and Far. Their positions have been extensively studied, together with the possible performances of two OPERA-like spectrometers. The proposal is constrained by availability of existing hardware and a time-schedule compatible with the CERN project for a new more performant neutrino beam, which will nicely extend the physics results achievable at the Booster. The possible FNAL experiment will allow to clarify the current $ν_μ$ disappearance tension with $ν_e$ appearance and disappearance at the eV mass scale. Instead, a new CERN neutrino beam would allow a further span in the parameter space together with a refined control of systematics and, more relevant, the measurement of the antineutrino sector, by upgrading the spectrometer with detectors currently under R&amp;D study.

研究の動機と目的

• 短基線でのν_μ消失に関する持続的な異常を解消するため、短基線で専用の高精度測定を実施すること。
• ν_e出現実験とは独立した補足的なν_μ消失測定を通じて、ステルラニュートリノの存在を検証すること。
• 新しい物理現象に高い感度を持つために、ν_μフラックスおよび反応率測定における系統的不確かさを1%未塔に抑えること。
• FNALで再利用可能なOPERAスぺクトロメータおよびRPC検出器の実用性を検証し、コスト効率が良く、高性能な実験を実現すること。
• 各イベントにおけるミューオンの電荷の符号を測定することで、ν_μとν̄_μを区別し、系統的誤差を制御すること。

提案手法

• 再利用されたOPERAの電磁石と鉄磁気構造を基にした2つの磁気スぺクトロメータ（ニア：110 m、ファー：710 m）を用いる。
• RPC検出器を用いてミューオンの追跡および運動量再構築を行い、既存のハードウェアと実証済みの性能を活用する。
• 2つの基線でのイベント率を比較することで系統的不確かさを低減するため、ファー対ニア比（FNR）手法を採用する。
• 感度解析の主観測量として再構築されたミューオン運動量（p_μ,rec）を用い、最小閾値は500 MeVとする。
• CL_Sフレームワーク内で、E_νの代わりにp_μ,recを用いて感度限界を計算するための修正ラスタースキャン法を適用する。
• 宇宙線および相関のない背景を含む、検出器応答、再構築、背景推定のためのフルモンテカルロシミュレーションを実施する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 FNAL-ブースターでの高精度なν_μ消失測定は、短基線ニュートリノ異常における乖離を解消できるか？
• RQ2 Δm² ~ 1 eV²領域において、再利用されたOPERA形式スぺクトロメータのセットアップは、ステルラニュートリノ振動に対してどの程度の感度を有するか？
• RQ3 既存のハードウェアを用いたファー対ニア比手法によって、系統的不確かさはどの程度低減可能か？
• RQ4 再構築されたミューオン運動量（p_μ,rec）は、ν_μ消失探索における頑健な推定器として機能できるか？
• RQ5 この実験的設定により、ν_μフラックスおよび反応率測定における系統的誤差を1%未塔に抑えることは可能か？

主な発見

• 本実験は、Δm² ~ 1 eV²の広範な領域において、sin²(2θ_new) < 10⁻²の混合角に感度を有し、ステルラニュートリノモデルにとって最も関連性のあるパラメータ空間をカバーする。
• 再構築されたミューオン運動量（p_μ,rec）を観測量として用いることで、混合角限界に劣化がない良好なスケーリング特性を示し、有効な感度が得られる。
• 系統的不確かさは1–2%の水準に制御可能であり、p_μ,rec ≥ 500 MeVの全利用可能な運動量範囲で高精度測定が可能となる。
• 再利用されたOPERAスぺクトロメータおよび既存のRPC検出器を用いた本提案構成では、総費用が10 M€未満に抑えられ、大部分がインクラム貢献で賄われる。
• 本実験では各イベントにおけるミューオン電荷の符号を測定可能であり、ν_μとν̄_μの相互作用を分離し、系統的バイアスを低減できる。
• フルシミュレーションおよび行列相関解析により、本手法が標準的なニュートリノ振動解析フレームワークと整合的で、頑健であることが確認された。