[論文レビュー] The 2010 Interim Report of the Long-Baseline Neutrino Experiment Collaboration Physics Working Groups

The LBNE Collaboration, T. Akiri+331 more|arXiv (Cornell University)|Oct 27, 2011

Neutrino Physics Research参考文献 4被引用数 73

ひとこと要約

2010年の中間報告書では、長基底長ニュートリノ実験（LBNE）共同研究者が、シミュレートされたビームおよび検出器応答を用いて、ニュートリノ振動測定の物理的感受性の予測を詳述している。主な結果として、特定の基底長およびエネルギー範囲において、$\theta_{13} \neq 0$ およびCP対称性の破れが $3\text{--}5\text{--}\text{sigma}$ の感度で達成可能であり、更新されたビーム設計および検出器エネルギー分解能モデルにより、さらなる性能向上が期待される。

ABSTRACT

In early 2010, the Long-Baseline Neutrino Experiment (LBNE) science collaboration initiated a study to investigate the physics potential of the experiment with a broad set of different beam, near- and far-detector configurations. Nine initial topics were identified as scientific areas that motivate construction of a long-baseline neutrino experiment with a very large far detector. We summarize the scientific justification for each topic and the estimated performance for a set of far detector reference configurations. We report also on a study of optimized beam parameters and the physics capability of proposed Near Detector configurations. This document was presented to the collaboration in fall 2010 and updated with minor modifications in early 2011.

研究の動機と目的

• 長基底長ニュートリノ実験（LBNE）の、$\theta_{13}$、$\theta_{23}$の八重性デゲネラシー、CP対称性の破れといった主要なニュートリノ振動パラメータに対する感受性を予測すること。
• 検出器エネルギー分解能、正規化不確実性、およびフラックスモデルの影響が、$\nue$出現および$\numu$消失の物理的感受性に与える影響を評価すること。
• 水チェレンコフ検出器および液体アルゴンTPC検出器を用いて、非標準的相互作用（NSI）および超新星バースト物理学を探索する可能性を評価すること。
• 特に2010年8月のビーム構成（2–6 GeV領域で改善されたフラックスを有する）を用いた、将来の検出器設計およびビーム最適化のための物理的入力基準を提供すること。
• 信号およびバックグラウンドの正規化に対する不確実性の見積もりを精緻化し、それぞれ信号に対して $5\text{--}10\text{--}\text{percent}$ の不確実性を想定する。

提案手法

• 物理的感受性の予測は、GLoBESソフトウェアフレームワークを用い、特に2008/2009年設計および『2010年8月のビーム設計』（dusel120e250(n)i002dr280dz-tgtz30-1300km-0kmoa-flux）を含む、シミュレートされたニュートリノフラックスの入力を用いて行った。
• エネルギー分解能モデルは、$E_\nu < 1.25$ GeV に対してICARUSデータに基づき、$20\text{--}\text{percent}/\text{sqrt}(E)$ のスメアリングモデルを適用したが、後でモンテカルロシミュレーションを用いてLBNEエネルギー領域で再評価する予定である。
• 水チェレンコフ検出器については、WCsimを用いてイベントレートおよびエネルギー分解能をシミュレートし、エネルギー分解能をスーパーカミオカンデのデータに一致させるために0.66倍にスケーリングした。トリガ効率は、15%および30%のPMTP装着率を想定してモデル化した。
• 液体アルゴンTPCの性能は、$\sigma/E = 11\%/\sqrt{E} + 2\%$ のエネルギー分解能および5 MeVの検出しきい値を仮定してモデル化した。外部または自己トリガリングを想定している。
• CP対称性の破れおよび$\theta_{13}$に対する感受性は、太陽パラメータ（$\theta_{12}$、$\Delta m^2_{21}$）を固定した仮定の下で推定された。基準入力として$\theta_{13} = 0$および$\delta_{\text{CP}} = 0$を用いた。
• 非標準的相互作用（NSI）に対する感受性は、$\nue$出現と同一のGLoBES入力を用いて予測されたが、2008/2009年ビームフラックスを用いた。新しいビーム設計を用いることで、より高い感度が期待される。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 LBNEの$\nue$出現チャネルに対する期待される感受性は何か。また、ビームエネルギーおよび検出器分解能に依存するか。
• RQ2 『2010年8月のビーム構成』を用いた$\numu$消失測定により、LBNEは$\theta_{23}$の八重性デゲネラシーをどの程度解消できるか。
• RQ3 NSIに対するLBNEの感受性は何か。また、ニュートリノフラックスモデルの選択にどのように依存するか。
• RQ4 エネルギー分解能および正規化不確実性は、水チェレンコフおよび液体アルゴラン検出器における$\nue$出現および$\numu$消失の感受性にどのように影響するか。
• RQ5 実際のPMTP装着率およびトリガ条件を想定した場合、水チェレンコフおよび液体アルゴラン検出器における超新星バースト検出率およびエネルギー分解能はどの程度か。

主な発見

• 『2010年8月のビーム設計』を仮定した1300 kmの基底長において、LBNEは$\theta_{13} \neq 0$およびCP対称性の破れに対して$3\text{--}5\text{--}\text{sigma}$の感受性を達成する。
• $\theta_{23}$の八重性デゲネラシーは、$\numu$消失データを用いて$3\text{--}5\text{--}\text{sigma}$の有意水準で解消可能であり、新しいビーム設計による2–6 GeV領域の高いフラックスにより感受性が向上する。
• 液体アルゴランにおけるエネルギー分解能は$\sigma/E = 11\%/\sqrt{E} + 2\%$ とモデル化されており、5 MeVの検出しきい値を有する。この性能は、振動パラメータの感受性向上に寄与すると期待される。
• 水チェレンコフ検出器の性能は、15%および30%のPMTP装着率を仮定してモデル化され、スーパーカミオカンデIおよびIIのそれよりわずかに低いトリガ効率を示す。エネルギー分解能は、約10%のレベルでSKデータに一致するようにスケーリングされた。
• 正規化不確実性は、信号イベントに対しては保守的に $5\%$、非QEEおよび非CCバックグラウンドに対しては $10\%$ と設定されており、これらは感受性予測に影響を及ぼす。
• NSI感受性の予測は2008/2009年ビームフラックスに基づいているが、2–6 GeV領域でのフラックスが向上した新しい『2010年8月のビーム』を用いることで、感受性が著しく向上すると予想される。