[論文レビュー] Snowmass Neutrino Frontier: DUNE Physics Summary

DUNE Collaboration, Abud, A. Abed+1244 more|arXiv (Cornell University)|Mar 11, 2022

Neutrino Physics Research被引用数 7

ひとこと要約

DUNE物理学要約では、深地中ニュートリノ実験（DUNE）の段階的実装を提案し、高精度なニュートリノ振動の測定、ニュートリノ質量順序の特定、CP対称性の破れおよび標準模型を超える素粒子物理学の探査を目的としています。1.2 MWから2.4 MWのプロトンビームと液体アルゴンタイムプロジェクションチェンバ（LArTPC）を用いて、DUNEは長基準長ニュートリノ物理学分野で世界最高の感度を達成し、多様な新物理探査プログラムを可能にします。

ABSTRACT

The Deep Underground Neutrino Experiment (DUNE) is a next-generation long-baseline neutrino oscillation experiment with a primary physics goal of observing neutrino and antineutrino oscillation patterns to precisely measure the parameters governing long-baseline neutrino oscillation in a single experiment, and to test the three-flavor paradigm. DUNE's design has been developed by a large, international collaboration of scientists and engineers to have unique capability to measure neutrino oscillation as a function of energy in a broadband beam, to resolve degeneracy among oscillation parameters, and to control systematic uncertainty using the exquisite imaging capability of massive LArTPC far detector modules and an argon-based near detector. DUNE's neutrino oscillation measurements will unambiguously resolve the neutrino mass ordering and provide the sensitivity to discover CP violation in neutrinos for a wide range of possible values of $δ_{CP}$. DUNE is also uniquely sensitive to electron neutrinos from a galactic supernova burst, and to a broad range of physics beyond the Standard Model (BSM), including nucleon decays. DUNE is anticipated to begin collecting physics data with Phase I, an initial experiment configuration consisting of two far detector modules and a minimal suite of near detector components, with a 1.2 MW proton beam. To realize its extensive, world-leading physics potential requires the full scope of DUNE be completed in Phase II. The three Phase II upgrades are all necessary to achieve DUNE's physics goals: (1) addition of far detector modules three and four for a total FD fiducial mass of at least 40 kt, (2) upgrade of the proton beam power from 1.2 MW to 2.4 MW, and (3) replacement of the near detector's temporary muon spectrometer with a magnetized, high-pressure gaseous argon TPC and calorimeter.

研究の動機と目的

• DUNE実験を用いて、長基準長ニュートリノ振動物理学の包括的かつ高精度なプログラムを確立すること。
• 高統計的ニュートリノおよび反ニュートリノ測定を通じて、ニュートリノ質量順序を明確に特定すること。
• ほぼ最大に近いCP対称性破れ位相に対する感度を有するように、ニュートリノ系におけるCP対称性の破れを探査すること。
• 陽子崩壊、核子崩壊、および天体的源からの低エネルギーニュートリノを含む、ニュートリノ振動物理学を超えたDUNEの物理的探査を拡張すること。
• 科学的成果を最大限に引き出すために、DUNEフェーズIIの完全実現、特にビーム出力の向上と検出器の強化を推進し、数十年にわたる科学的還元を最大化すること。

提案手法

• フェルミラブの長基準長ニュートリノ施設（LBNF）を活用し、1.2 MWから2.4 MWのプロトンビームを供給してニュートリノビームを生成すること。
• 遠方検出器（40 ktの有効質量）と近接検出器（能力強化）に液体アルゴンタイムプロジェクションチェンバ（LArTPC）を設置し、ニュートリノ反応を高精度で測定すること。
• 段階的アプローチを実施：フェーズIでは1.2 MWビームと20 ktの遠方検出器質量を採用し、その後フェーズIIで2.4 MWと40 ktにアップグレードすること。
• エンドツーエンドの物理学解析パイプラインとプロトタイプの検証を用いて、検出器性能と系誤差の制御を保証すること。
• フェルミラブ加速器施設のアップグレードを活用し、DUNEに加え、ミュオン物理学および希少崩壊研究を含む他の強度フロントランジット実験を支援すること。
• 系誤差が所定の水準まで制御できる場合、非LArTPCモジュールなどの検出器技術の革新を検討すること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 DUNEは、高統計的ニュートリノおよび反ニュートリノデータを用いて、ニュートリノ質量順序を明確に特定できるか？
• RQ2 DUNEは、ニュートリノ系におけるCP対称性破れにどの程度感度を有するか、特にCP対称性破れ位相δCPが大きな値をとる場合に注目する。
• RQ3 DUNEは、陽子崩壊や低エネルギーニュートリノ信号を含む、標準模型を超える物理学をどの程度探査できるか？
• RQ4 2.4 MWビームを有するアップグレードされたフェルミラブ加速器施設は、DUNEを越えてどのような広範な物理学プログラムを支援できるか？
• RQ5 DUNEフェーズIIの全物理的潜在能力を実現するために、どのような検出器技術とアップグレードが必要か？

主な発見

• 1.2 MWビームと20 ktの遠方検出器質量を有するDUNEフェーズIは、ニュートリノ質量順序を明確に特定するのに十分である。
• DUNEフェーズIは、CP対称性破れ位相δCPがほぼ最大値をとる場合にCP対称性の破れに感度を有し、ニュートリノ系におけるCP対称性の明確なテストを可能にする。
• 2.4 MWビーム、40 ktの有効質量、および強化された近接検出器を備えた完全なDUNEフェーズII設計は、数十年にわたってニュートリノ振動の高精度測定を実現する。
• LArTPC技術は、フルスケールプロトタイプで検証され、DUNE検出器に実現可能で性能を発揮することが示された。
• 2.4 MWへのビーム出力のアップグレードは、DUNEの振動物理学プログラムにとって不可欠であり、ミュオン物理学、希少崩壊、固定標的に基づく探索を含む多様な新規実験の実現を可能にする。
• DUNE共同研究グループは、スノーマスプロセスを通じて、粒子物理学コミュニティがDUNE全プログラムを承認するよう要請し、現在の10年間でフェーズIを優先し、次の10年間でフェーズIIを優先することを提言する。