[論文レビュー] Search for anomalies in the neutrino sector with muon spectrometers and large LArTPC imaging detectors at CERN

M. Antonello, D. Bagliani+137 more|arXiv (Cornell University)|Aug 3, 2012

Neutrino Physics Research参考文献 6被引用数 5

ひとこと要約

この論文は、ミュオン・スペクトロメータと大型液体アルゴンタイムプロジェクション・チェンバー（LArTPC）を用いたCERNベースの実験を提案し、ステルラーニュートリノの異常を探索する。近接および遠方の検出器でニュートリノおよび反ニュートリノの電荷現在反応を高精度で測定することで、ステルラーニュートリノ振動の質量二乗差Δm²と混合角sin²2θを独立して決定することを目的としており、LSNDおよびMiniBooNEの異常領域をカバーする感度を有する。

ABSTRACT

A new experiment with an intense ~2 GeV neutrino beam at CERN SPS is proposed in order to definitely clarify the possible existence of additional neutrino states, as pointed out by neutrino calibration source experiments, reactor and accelerator experiments and measure the corresponding oscillation parameters. The experiment is based on two identical LAr-TPCs complemented by magnetized spectrometers detecting electron and muon neutrino events at Far and Near positions, 1600 m and 300 m from the proton target, respectively. The ICARUS T600 detector, the largest LAr-TPC ever built with a size of about 600 ton of imaging mass, now running in the LNGS underground laboratory, will be moved at the CERN Far position. An additional 1/4 of the T600 detector (T150) will be constructed and located in the Near position. Two large area spectrometers will be placed downstream of the two LAr-TPC detectors to perform charge identification and muon momentum measurements from sub-GeV to several GeV energy range, greatly complementing the physics capabilities. This experiment will offer remarkable discovery potentialities, collecting a very large number of unbiased events both in the neutrino and antineutrino channels, largely adequate to definitely settle the origin of the observed neutrino-related anomalies.

研究の動機と目的

• 長年のニュートリノ系の異常、特にミュオンニュートリノビームからの電子様イベントの過剰（LSNDおよびMiniBooNE）を解明すること。
• 標準模型を越える大きな質量二乗差（Δm² ~ 0.01–1.0 eV²）を持つステルラーニュートリノの存在を仮説検証すること。
• 二つの異なる基準距離でニュートリノおよび反ニュートリノのエネルギースペクトルを測定することで、Δm²およびsin²2θを独立して決定すること。
• 反応異常およびガリウムキャリブレーション源の結果を含む、ステルラーニュートリノ振動の全パラメータ空間を探索すること。
• CCFR、CDHS、およびSciBooNE／MiniBooNE実験の文脈において、ミュオンニュートリノ消失の既存の制限を拡張すること。

提案手法

• 陽性および陰性極性の焦点化を用いた高強度のCERN SPSビームを用い、ニュートリノおよび反ニュートリノビームを生成する。
• 近接（119トンの有効質量）および遠方（476トンの有効質量）の位置に大型液体アルゴンタイムプロジェクション・チェンバー（LArTPC）を設置し、電荷現在反応の高分解能再構成を実現する。
• 近接および遠方の位置にミュオン・スペクトロメータ（NESSiE）を統合し、ミュオン運動量および符号を測定することで、νμおよびν̄μイベントの分離を可能にする。
• 二つの基準距離でνeおよびνμの電荷現在反応のエネルギースペクトルを測定し、振動パターン解析によってΔm²およびsin²2θを解離する。
• エネルギースペクトルに3%の系誤差を適用し、(Δm², sin²2θ)平面における感度を評価する。
• 三か年の運用（2年間の陰性焦点化、1年間の陽性焦点化）でニュートリノおよび反ニュートリノモードを用い、異常パラメータ空間の最大限のカバーを実現する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 Δm² ~ 0.01–1.0 eV²のステルラーニュートリノ状態の存在によって、ミュオンニュートリノから電子ニュートリノへの振動におけるLSNDおよびMiniBooNEの異常は説明可能か？
• RQ2 提案された装置が、ステルラーニュートリノ振動の質量二乗差Δm²および混合角sin²2θを独立して測定する感度はどの程度か？
• RQ3 反応ニュートリノ異常およびガリウムキャリブレーション源の結果が示唆するパラメータ領域は、どの程度の範囲で除外または確認可能か？
• RQ4 LArTPCの画像化とミュオン・スペクトロメータ測定の組み合わせは、従来の実験と比較して、νμおよびν̄μイベントの分離をどの程度向上させるか？
• RQ5 この装置のνμ消失に対する期待される感度は何か？ また、CCFR、CDHS、およびMiniBooNEの既存の制限をどの程度超えるか？

主な発見

• 提案された装置は、LSNDおよびMiniBooNEの異常領域をカバーする感度を有しており、MiniBooNE反ニュートリノ解析から得られた両方の好ましいパラメータセットをカバーする。
• 1年間のデータ取得で、反応ニュートリノの消失に対する感度が(Δm², sin²2θ)平面で、反応、GALLEX、SAGE実験の組み合わせ異常を完全に探索可能となる。
• 感度プロット（図7）は、CDHSおよびSciBooNE＋MiniBooNEの結果を90%信頼水準で大きく上回る、現在のνμ消失の除外限界の顕著な拡張を示している。
• 2年間の陰性焦点化および1年間の陽性焦点化の運用では、遠方のLArTPCで5.2×10⁴件のνμ電荷現在反応が予想され、高統計的測定が可能となる。
• この手法により、Δm²およびsin²2θの独立した決定が可能であり、図5に示されるように、異なる振動パラメータにおける電子ニュートリノスペクトルの明確な違いが確認できる。
• 内在的なνeビームバックグラウンドは定量的に評価され、振動信号とは区別可能であることが示され、解析の堅牢性が向上している。