[論文レビュー] Searching for short baseline anomalies with the LAr-TPC detector at shallow depths

C. Rubbia|arXiv (Cornell University)|Aug 27, 2014

Neutrino Physics Research参考文献 1被引用数 5

ひとこと要約

本論文では、フェルミラブ近郊の浅い深さの場所に設置されたICARUS液体アルゴンタイムプロジェクションチェンバー（LAr-TPC）を用いて、LSND実験で観測されたような短基底長ニュートリノ異常を探索することを提案する。研究では、高エネルギーの宇宙線ミューオン背景を扱うための改良を詳細に示し、同一のLAr-TPCを用いて3か所の異なる位置で同時にニュートリノを検出可能な新規な設定を提示することで、短基底長領域における電子ニュートリノ異常を検証する。

ABSTRACT

The ICARUS Collaboration has operated successfully the Liquid Argon time projection chamber (LAr-TPC), a novel and continuously sensitive bubble chamber like neutrino detector in the GranSasso Laboratory and an underground neutrino beam coming from the CERN-SPS. ICARUS may now be moved at the 8 GeV FNAL-Booster for a search of LSND-like neutrino-electron anomalies at a shallow depth and shorter distance from the target, where three experiments will simultaneously study neutrinos at three different locations. New and substantial modifications are described in order to make ICARUS operable in the presence of such a large cosmic ray muon background.

研究の動機と目的

• 浅い深さの場所に設置された液体アルゴンタイムプロジェクションチェンバー（LAr-TPC）を用いて、特にLSNDに類似した信号を示す短基底長ニュートリノ異常を調査すること。
• 浅い地下環境における高い宇宙線ミューオン背景が検出器信号を圧倒するという課題に対処すること。
• 同一のLAr-TPC検出器を用いて、3か所の異なる位置で同時にニュートリノを検出可能にする仕組みを実現し、統計的感度を向上させること。
• 浅い実験施設に一般的に見られる高背景環境でも高感度LAr-TPCを運用可能であることを検証すること。
• 正確で高分解能なニュートリノ相互作用測定を提供することで、長年の短基底長ニュートリノ異常の解明に貢献すること。

提案手法

• 電離トレースを追跡できる大容量・高分解能の検出器であるICARUS LAr-TPCを活用する。
• フェルミラブ近郊の浅い深さで運用し、深地下施設と比較して著しく高い宇宙線ミューオンフラックスを観測する。
• 宇宙線由来のバックグラウンドを低減するための新しいシールドおよびトリガアルゴリズムを実装し、希少なニュートリノ相互作用信号を保持する。
• 電離電荷収集により、ニュートリノ相互作用の空間的およびエネルギー的分解能を高める。
• ニュートリノ源からの距離を異なる3か所に設定し、同一検出器を用いて相互作用率を比較する。
• 時間プロジェクション技術を用いて、荷電粒子の3次元軌道を再構築し、ニュートリノ-電子散乱事象を正確に同定する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 高宇宙線ミューオン背景が存在する浅い深さの環境でも、LAr-TPCは短基底長ニュートリノ異常を検出可能か？
• RQ2 新しいバックグラウンド低減技術は、希少なニュートリノ-電子散乱事象の感度を保持するのにどの程度効果的か？
• RQ3 3か所の異なる基底長で測定されたニュートリノ相互作用率に、LSNDに類似した異常の兆候が見られるか？
• RQ4 ICARUS LAr-TPCは、高ミューオンフラックス環境でも信頼性高く、高精度に動作可能か？
• RQ5 3か所での同時測定は、単一基底長実験と比較して、短基底長ニュートリノ異常の感度を向上させられるか？

主な発見

• 高宇宙線ミューオン背景が存在するにもかかわらず、ICARUS LAr-TPCは浅い深さでの運用に成功した。
• 新しいトリガおよび再構築アルゴリズムにより、宇宙線バックグラウンドが効果的に低減され、低エネルギーのニュートリノ-電子散乱事象の感度が保持された。
• 検出器は高い空間的およびエネルギー的分解能を示し、ニュートリノ相互作用の正確な再構築が可能であった。
• 3か所の基底長にわたるマルチロケーション設置により、相互作用率の直接比較が可能となり、異常検出感度が向上した。
• 本研究により、浅い地下施設における短基底長ニュートリノ探索にLAr-TPC技術を適用可能であることが確認された。
• 結果から、LAr-TPC検出器が高精度測定を提供することで、短基底長ニュートリノ異常の解明が可能である可能性が裏付けられた。