[論文レビュー] The DAEdALUS Experiment

J. M. Conrad|arXiv (Cornell University)|Dec 22, 2010

Neutrino Physics Research参考文献 13被引用数 6

ひとこと要約

DAE$\delta$ALUS実験は、高パワー・サイクロトロンから得られるミューオンおよびパイオンの静止崩壊によるニュートリノビームを用いて、短基準距離での$CP$違反を探索するもので、Deep Underground Science and Engineering Laboratory（DUSEL）で$\bar{\nu}_\mu \to \bar{\nu}_e$振動を標的にする。干渉項の$L/E$依存性を活用することで、長基準距離実験と補完的となる高統計的・低バックグラウンド感度を達成し、統合データはProject Xの感度を上回る。

ABSTRACT

DAEdALUS is an experiment to measure the CP-violation angle in the neutrino sector by producing multiple, intense beams of neutrinos from pion- and muon-decays-at-rest near an ultra-large water Cerenkov detector. In this talk, a design for the proposed Deep Underground Science and Engineering Laboratory in the U.S. was presented. DAEdALUS will be statistics-limited and have different systematic errors than long baseline CP-violation searches. When the data from both searches are combined, the sensitivity exceeds proton-driver designs. In this proceeding, we briefly describe one of several alternative cyclotron designs under consideration for DAEdALUS, as an example.

研究の動機と目的

• ニュートリノ系におけるレプトン的$CP$違反位相$\delta_{CP}$を測定すること。これはPMNS行列における重要な未解決パラメータである。
• ビームの符号反転に代えて$L/E$依存性を持つ干渉項を用いることで、長基準距離$CP$違反実験とは補完的な手法を提供すること。
• 高パワーでコンactなサイクロトロンを用いた短基準距離設定における強力なニュートリノビームの実現可能性を示すこと。
• LBNEのような長基準距離実験と統合することで、Project Xの感度を超える$\delta_{CP}$感度を達成すること。
• コスト効率が良く、商業的スケーラビリティを持つサイクロトロン設計（例：MMC）が高強度ニュートリノ源として実用可能であることを検証すること。

提案手法

• 実験は、300 ktの有効体積にゲルマニウム-doped水シンチレーション検出器を備えたDUSELに、1.5 km、8 km、20 kmの基準距離に位置する3つのサイクロトロン源を用いる。
• 800 MeVの高エネルギー陽子を炭素標的に照射し、$\Delta$共鳴状態を介してパイオンを生成し、静止状態で崩壊させてニュートリノビームを生成する。
• ビームの組成は、$\pi^+ \to \mu^+ \nu_\mu$および$\mu^+ \to e^+ \bar{\nu}_\mu \nu_e$の崩壊に起因し、$\sim 4 \times 10^{-4}$の$\bar{\nu}_e$分率が支配的である。
• $CP$違反信号は、振動確率$P(\bar{\nu}_\mu \to \bar{\nu}_e)$における$L/E$依存性を持つ干渉項から抽出され、特に$\sin^2\Delta_{13}\sin\Delta_{12}$および$\sin\Delta_{13}\cos\Delta_{13}\sin\Delta_{12}$の項が重要である。
• マルチメガワットサイクロトロン（MMC）設計は、800 MeVで12 mAの$H_2^+$イオンを加速し、ストリッピングフィルムによる効率的抽出を可能にする。
• サイクロトロン設計は、固定エネルギー連続ビームを用いることでピークパワー負荷を低減し、遮蔽および敷地面積コストを削減する。これは特に近接施設に特に重要である。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 サイクロトロンベースで短基準距離のニュートリノ実験は、レプトン的$CP$違反位相$\delta_{CP}$に対して競争力のある感度を達成できるか？
• RQ2 振動確率式における干渉項の$L/E$依存性は、ニュートリノと反ニュートリノの両方のビームを必要とせずに$\delta_{CP}$の抽出を可能にするか？
• RQ3 高パワーでコンactなサイクロトロン設計（例：MMC）は、低エネルギーでの高統計的$CP$違反探索に十分なビーム強度を提供できるか？
• RQ4 LBNEのような長基準距離実験と統合した場合、DAE$\delta$ALUSの感度はProject Xと比較してどの程度か？
• RQ5 静止崩壊ビーム実験の系統誤差特性は何か？また、それらは長基準距離実験の誤差特性とどのように補完し合うか？

主な発見

• DAE$\delta$ALUSは、統計に制限された$\delta_{CP}$感度を達成しており、長基準距離実験とは異なる系統誤差を持つため、統合することで全体の感度が向上する。
• 実験は短基準距離（1.5–20 km）での$\bar{\nu}_\mu \to \bar{\nu}_e$振動を用い、干渉項の$L/E$依存性を活用して$\delta_{CP}$を分離する。
• ビームエネルギー分布は明確で、等方的であり、$\sim 4 \times 10^{-4}$の$\bar{\nu}_e$分率であるため、バックグラウンドモデルの精度が高く確保できる。
• MMCサイクロトロン設計は、$H_2^+$イオンとストリッピングフィルムを用いて、99.9%以上のビーム抽出効率を達成し、800 MeVで12 mAのビームを発生させ、PSIと同等の性能を発揮するが、より高い出力にスケーリング可能である。
• 3つの地点における平均ビーム出力（1 MW、2 MW、5 MW）はPSIと同等であるが、パulsed運用（500 msサイクルあたり67 ms、133 ms、100 ms）によりピーク出力を低減している。
• 長基準距離データ（例：LBNE）と統合した場合、DAE$\delta$ALUSは、系統誤差構造の補完的性質により、Project Xを上回る$\delta_{CP}$感度を実現する。