[論文レビュー] The DAE{\delta}ALUS Project: Rationale and Beam Requirements

J. Alonso|arXiv (Cornell University)|Oct 5, 2010

Particle accelerators and beam dynamics参考文献 2被引用数 3

ひとこと要約

DAEδALUSプロジェクトは、300 kTの水チェレンコフニュートリノ検出器から1.5、8、20 kmの距離に、コンactで低コストな0.8–1 GeVプロトン加速器を設置し、停止したパイオニオンの崩壊によってミューオン反ニュートリノを生成することを提案する。この手法は、LBNE実験を補完するものであり、主な貢献は、低エネルギー・低出力のビームパラメータで、ニュートリノ質量階層とCP対称性の破れを高精度に研究可能なビームライン設計を提供することである。本設計は、信頼性の向上、低活性化、およびメガワットクラス機器の1/10未塔のコストを重視している。

ABSTRACT

Neutrino physics focuses on huge detectors deep underground. The Sanford Lab in South Dakota will build a 300 kiloton water-Cherenkov detector 1500 meters deep for muon neutrino oscillation studies of the mass hierarchy and CP violation. This will be used by the Long Baseline experiment (LBNE) detecting few GeV neutrinos from Fermilab, 1300 km away. The DAE{\\delta}ALUS Collaboration also plans several neutrino-production sites at closer distances up to 20 km from the 300 kT detector, producing muon antineutrinos from stopped pions. The complementarity with LBNE greatly enhances results, and enthusiasm is mounting to do both experiments. DAE{\\delta}ALUS needs 0.8-1 GeV accelerators with mA proton beams. Three sites at 1.5, 8 and 20 km from the 300 kT detector require several accelerators. The cost per machine must be below 1/10 of existing megawatt-class proton machines. Beyond high power and energy, beam parameters are modest. Challenges are reliability, control of beam loss and minimizing activation. Options being studied are: a compact superconducting cyclotron; a ring cyclotron accelerating H2+ (with stripping extraction); and a stacked cyclotron with up to 9 planes sharing the same magnet yoke and rf systems.

研究の動機と目的

• 複数の短基線地点で停止パイオニオンからのミューオン反ニュートリノを生成することで、高精度なニュートリノ振動測定を可能にすること。
• 長基線ニュートリノ実験（LBNE）を補完し、ニュートリノ質量階層とCP対称性の破れに関する追加のデータを提供すること。
• 既存のメガワットクラスプロトン加速器の1/10未塔のコストで実現可能な、費用対効果の高い加速器ソリューションを設計すること。
• 高い信頼性を確保し、ビーム損失を最小限に抑え、加速器部品の活性化を低減すること。

提案手法

• 0.8–1 GeVのプロトンビームを標的に照射し、パイオニオンを生成。その後、パイオニオンを捕獲・崩壊させてミューオン反ニュートリノを生成する。
• 300 kTの水チェレンコフ検出器から1.5 km、8 km、20 kmの距離に3か所の加速器施設を設置し、基線の多様性を最大化する。
• 3つの加速器設計を検討する：コンパクトな超伝導サイクロトロン、H2+ストリッピング抽出方式を備えたリングサイクロトロン、共通の磁石ヨークとRFシステムを共有するスタックドサイクロトロン。
• ビーム損失の制御と放射線安全を重視し、信頼性の高い運用と低活性化を実現するためのビームパラメータを最適化する。
• 長距離にわたりビーム品質と安定性を維持できるビーム配送システムを統合する。
• サウスダコタ州サンドフォード研究所の既存インフラを活用し、導入コストを削減し、実装を迅速化する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 コンパクトで低コストな加速器は、短基線で高精度な振動測定に必要な十分なミューオン反ニュートリノフラックスを生成できるか？
• RQ2 1.5–20 kmの異なる距離に複数の加速器施設を設置することで、単一基線実験と比較して、ニュートリノ質量階層とCP対称性の破れに対する感度がどのように向上するか？
• RQ3 1台あたり1億ドル未塔の予算内で、性能、信頼性、コストのバランスが最良となる加速器設計は何か？
• RQ4 長期間にわたり運用する高強度・低エネルギーのプロトンビームにおいて、ビーム損失と活性化をどのように最小限に抑えることができるか？
• RQ5 スタックドサイクロトロンにおける共通の磁石ヨークとRFシステムの共有は、資本コストと運用コストをどれほど削減できるか？

主な発見

• DAEδALUSプロジェクトは、コンパクトな超伝導サイクロトロン、H2+ストリッピング抽出方式を備えたリングサイクロトロン、スタックドサイクロトロンの3つの実現可能な加速器概念を同定した。各設計とも、mAレベルの強度を持つ0.8–1 GeVプロトンビームを供給可能である。
• ビーム要件はエネルギーと出力の点で控えめであり、既存のメガワットクラスプロトン加速器の1/10未塔のコスト削減が可能である。
• 1.5 km、8 km、20 kmの基線に位置する3か所の加速器施設は、ニュートリノ質量階層とCP対称性の破れを高統計的精度で測定するのに最適なカバレッジを提供する。
• ビーム損失と活性化は重要な課題であり、長期的な信頼性と安全性を確保するため、高度なビーム制御およびシールド戦略が不可欠である。
• スタックドサイクロトロン設計は、最大9平面にわたる磁石ヨークとRFシステムの共有により、顕著なコスト削減効果を発揮する。
• 本プロジェクトは、LBNEとの強い相乗効果を示しており、ニュートリノ振動パラメータへの全体的な感度を顕著に向上させている。