[論文レビュー] The European Spallation Source neutrino Super Beam

M. Dracos, Baussan, E.+60 more|arXiv (Cornell University)|Mar 15, 2022

Particle accelerators and beam dynamics被引用数 6

ひとこと要約

本論文は、5 MWのプロトンLINACを10 MWにアップグレードした欧州散乱源中性子ビーム（ESSνSB）を提案する。これは、第二の振動最大値でCP対称性の破れを測定する高強度の中性子ビーム実験である。10年間の運転と360–540 kmの距離に位置する500 ktの水チェレンコフ遠方検出器を用いることで、δCPの70%以上の範囲で5σの有意水準でCP対称性の破れを発見可能であり、すべてのδCP値において誤差が8°未満の高精度でδCPを測定可能である。

ABSTRACT

In this Snowmass 2021 white paper, we summarise the Conceptual Design of the European Spallation Source neutrino Super Beam (ESSvSB) experiment and its synergies with the possible future muon based facilities, e.g. a Low Energy nuSTORM and the Muon Collider. The ESSvSB will benefit from the high power, 5 MW, of the European Spallation Source (ESS) LINAC in Lund-Sweden to produce the world most intense neutrino beam, enabling measurements to be made at the second oscillation maximum. Assuming a ten-year exposure, physics simulations show that the CP-invariance violation can be established with a significance of 5 sigma over more than 70% of all values of delta CP and with an error in the measurement of the delta CP angle of less than 8 degree for all values of delta CP. However, several technological and physics challenges must be further studied before achieving a final Technical Design. Measuring at the 2nd oscillation maximum necessitates a very intense neutrino beam with the appropriate energy. For this, the ESS proton beam LINAC, which is designed to produce the world's most intense neutron beam, will need to be upgraded to 10 MW power, 2.5 GeV energy and 28 Hz beam pulse repetition rate. An accumulator ring will be required for the compression of the ESS LINAC beam pulse from 2.86 ms to 1.3 mus. A high power target station facility will be needed to produce a well-focused intense (super) mu-neutrino beam. The physics performance of that neutrino Super Beam in conjunction with a megaton underground Water Cherenkov neutrino far detector installed at a distance of either 360 km or 540 km from the ESS, the baseline, has been evaluated.

研究の動機と目的

• 長基準長の中性子ビーム実験を用いて、リプチオン的CP対称性破れ位相δCPを高精度で測定すること。
• 現在の長基準長実験における系統的不確実性の限界を、第二の振動最大値を標的とすることで克服すること。
• ESSの高出力プロトンLINAC（10 MWにアップグレード）を活用し、第二の最大値測定に適した高強度の中性子ビームを生成することで感度を向上させること。
• 低エネルギーnuSTORMおよびミューオンコライダーを含む将来のミューオンベース施設と、インfra構造とビーム利用の共有により連携を図ること。
• 次世代の中性子振動物理学のため、360–540 kmの基準長に100万トン規模の水チェレンコフ検出器を設置する可能性を実証すること。

提案手法

• 5 MWから10 MWにアップグレードされたESSプロトンLINAC（2.5 GeV、28 Hz）を用い、高強度の中性子ビームを生成する。
• 2.86 msのLINACパルスを1.3 µsに圧縮するための蓄積リングを導入し、高ピーク強度を実現する。
• 高出力ターゲットステーションを用いて、集束性が高く強度の高い（スーパービームの）μ中性子ビームを生成する。
• 360 kmまたは540 kmの基準長に、地下に100万トン規模の中性子ビーム水チェレンコフ遠方検出器を設置し、第二の最大値での中性子ビームの振動を観測する。
• ビーム抽出と位相回転を最適化するため、ビームスイッチヤードとコンプレッサー／バンチャー・リングを設置する。
• 将来的なミューオン生成と統合し、低エネルギーnuSTORMやミューオンコライダーなどの後続実験を可能にする。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ESSのLINACから得られる中性子スーパービームは、δCPの70%以上の範囲で、CP対称性の破れを5σの有意水準で発見可能か？
• RQ2 第二の振動最大値を用いた場合、δCPの測定精度はどの程度達成可能であり、全δCP値において一貫性を保てるか？
• RQ3 第二の最大値測定に適した十分な強度を持つスーパービームを実現するため、ESSプロトン駆動器を10 MWにアップグレードするにはどのような措置が必要か？
• RQ4 1マイクロ秒未満のパルスを達成するための、蓄積リングおよびコンプレッサー・リングを含むビーム圧縮技術的要件は何か？
• RQ5 低エネルギーnuSTORMおよびミューオンコライダーを含む将来のミューオンベース施設と、ESSνSBとの間にどのような連携が可能か？

主な発見

• 10年間のデータ取得後、ESSνSBはδCPの70%以上の範囲でCP対称性の破れを5σの有意水準で発見可能である。
• すべてのδCP値において、δCPの測定誤差が8°未満であるため、全位相空間にわたる高精度な決定が可能である。
• 第二の振動最大値は系統的不確実性の影響を著しく低減し、第一最大値実験と比較してより高い耐性を示す。
• 10 MWにアップグレードされたESSのLINACは、第二の最大値における長い基準長と低い統計的数を補うのに必要なビーム出力を提供する。
• ミューオンの共同生成により、将来的なアップグレードが可能であり、同じ施設で低エネルギーnuSTORMおよびミューオンコライダーの開発を支援する。
• 提案されたスケジュールでは、2022年までに概念設計調査を完了し、2030年から建設を開始し、2030年以降に運用を開始する。ESSの年次停止期間を活用してアップグレードを実施する。