[論文レビュー] Search for "anomalies" from neutrino and anti-neutrino oscillations at Delta_m^2 ~ 1eV^2 with muon spectrometers and large LAr-TPC imaging detectors

M. Antonello, D. Bagliani+137 more|arXiv (Cornell University)|Mar 15, 2012

Neutrino Physics Research参考文献 9被引用数 29

ひとこと要約

この実験は、CERN-SPSのニュートリノビームを用い、Δm² ~ 1 eV²の領域で不活性ニュートリノの振動を探索する。2つの同一の大型液体アルゴンタイムプロジェクションチェンバー（LAr-TPC）を、近接（300 m）および遠方（1600 m）の位置に配置し、その後に磁化されたミューオンスペクトロメータを設置する。両位置におけるニュートリノスペクトルが同一であることを活用し、イベント分布の乖離があればνμ → νsの振動が示唆される。スペクトロメータによりミューオンの電荷および運動量を高精度に測定することで、バックグラウンドを抑制し、システムティクスを制御する。

ABSTRACT

This proposal describes an experimental search for sterile neutrinos beyond the Standard Model with a new CERN-SPS neutrino beam. The experiment is based on two identical LAr-TPC's followed by magnetized spectrometers, observing the electron and muon neutrino events at 1600 and 300 m from the proton target. This project will exploit the ICARUS T600, moved from LNGS to the CERN "Far" position. An additional 1/4 of the T600 detector will be constructed and located in the "Near" position. Two spectrometers will be placed downstream of the two LAr-TPC detectors to greatly complement the physics capabilities. Spectrometers will exploit a classical dipole magnetic field with iron slabs, and a new concept air-magnet, to perform charge identification and muon momentum measurements in a wide energy range over a large transverse area. In the two positions, the radial and energy spectra of the nu_e beam are practically identical. Comparing the two detectors, in absence of oscillations, all cross sections and experimental biases cancel out, and the two experimentally observed event distributions must be identical. Any difference of the event distributions at the locations of the two detectors might be attributed to the possible existence of ν-oscillations, presumably due to additional neutrinos with a mixing angle sin^2(2theta_new) and a larger mass difference Delta_m^2_new. The superior quality of the LAr imaging TPC, in particular its unique electron-pi_zero discrimination allows full rejection of backgrounds and offers a lossless nu_e detection capability. The determination of the muon charge with the spectrometers allows the full separation of nu_mu from anti-nu_mu and therefore controlling systematics from muon mis-identification largely at high momenta.

研究の動機と目的

• 標準模型を越える不活性ニュートリノの存在を検証するため、Δm² ~ 1 eV²の領域で異常なニュートリノ振動を調査する。
• LSND や MiniBooNE の結果に示される短基準長ニュートリノ実験の長年の異常を解消する。これらの異常は、追加の軽い不活性ニュートリノの存在を示唆している。
• 近接・遠方の検出器比較により、システムティクスの不確実性を最小限に抑えて、νμおよびν̄μの振動を高精度で測定する。
• LAr-TPCが優れた電子・パイゼロ粒子の識別能力を発揮することで、電子ニュートリノの検出効率をほぼ100％に近づけ、バックグラウンドを低減する。
• スペクトロメータによるミューオン電荷識別により、高運動量領域での誤識別バイアスを低減し、νμとν̄μを完全に分離する。

提案手法

• CERN-SPS陽子ターゲットから300 m（近接）および1600 m（遠方）の位置に、2つの同一の大型液体アルゴンタイムプロジェクションチェンバー（ICARUS T600）を設置する。
• 各LAr-TPCの下流に、古典的ドーナツ磁石と新規のエアマグネット構造を組み合わせた磁化スペクトロメータを設置し、ミューオンの運動量と電荷を測定する。
• 両位置におけるνeビームの径方向およびエネルギースペクトルが同一であることを活用し、断面積や実験的バイアスを比較において相殺する。
• スペクトロメータの電荷識別により、νμとν̄μを区別し、振動チャネルを明確に分離する。
• LAr-TPCの高分解能イメージングを活用し、π⁰バックグラウンドを効果的に除外し、νe検出の完全効率を達成する。
• 近接および遠方の検出器間のイベント分布を比較する。乖離が観測されれば、Δm² ~ 1 eV²の領域でνμ → νsの振動が示唆され、sin²(2θ_new) > 0 となる。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 Δm² ~ 1 eV²の領域で、不活性ニュートリノ生成と整合する異常なニュートリノ振動が観測されるか？
• RQ2 同一のビーム条件のもとで、近接・遠方検出器構成を用いることで、νμ → νs振動仮説を確認または除外できるか？
• RQ3 電荷識別可能なミューオンスペクトロメータを用いることで、ミューオン誤識別に起因するシステムティクス不確実性をどの程度制御できるか？
• RQ4 LAr-TPCがπ⁰およびその他のバックグラウンドをどの程度効果的に低減できるか、一方で電子ニュートリノの検出効率を維持できるか？
• RQ5 LAr-TPCのイメージングとスペクトロメータの運動量測定を組み合わせることで、νμおよびν̄μ成分を十分な精度で解離でき、微小な振動信号を検出できるか？

主な発見

• 近接および遠方の検出器は、ほぼ同一のνeビームスペクトルを持つように設計されており、検出器および断面積バイアスが相殺される直接比較が可能である。
• LAr-TPCの電子・パイゼロ粒子識別能力により、νeイベントの検出がほぼ損失のない状態で達成され、バックグラウンド汚染が最小限に抑えられる。
• 電荷識別機能を備えたミューオンスペクトロメータにより、νμとν̄μの完全分離が可能となり、高運動量領域での誤識別バイアスが低減される。
• 異なる基準長に配置された2つの同一検出器を用いることで、νμ → νs振動の明確なテストが可能となり、観測された乖離はすべて新しい物理学に起因するとされる。
• 提案された装置は、sin²(2θ_new) ~ 10⁻²から10⁻³、Δm² ~ 1 eV²の範囲で不活性ニュートリノパラメータ空間を効果的に探索するよう最適化されており、過去の実験で観測された異常と整合する。
• この実験は、Δm² ~ 1 eV²の領域での振動に対して高い感度を有するように設計されており、不活性ニュートリノ仮説の決定的検証が可能となる。