[論文レビュー] The ICARUS Experiment, A Second-Generation Proton Decay Experiment and Neutrino Observatory at the Gran Sasso Laboratory

F. Arneodo|ArXiv.org|Mar 7, 2001

Neutrino Physics Research参考文献 8被引用数 47

ひとこと要約

ICARUS実験は、グランサッソ研究所における5000トンを超える液体アルゴンを用いた第二世代の陽子崩壊およびニュートリノ観測施設の構想を提示している。液体アルゴン時間投影連続器を用いた高分解能のトラッキングおよびカルオリメトリーにより、陽子崩壊および超新星ニュートリノを、電子ニュートリノ、反ニュートリノ、ミュオン/タウニュートリノ成分に対して高い感度で検出可能であり、ニュートリノの性質や超新星爆発メカニズムの詳細な研究が可能となる。

ABSTRACT

The final phase of the ICARUS physics program requires a sensitive mass of liquid Argon of 5000 tons or more. The T600 detector stands today as the first living proof that such large detector can be built and that liquid Argon imaging technology can be implemented on such large scales. After the successful completion of a series of technical tests to be performed at the assembly hall in Pavia, the T600 detector will be ready to be transported into the LNGS tunnel. The operation of the T600 at the LNGS will allow us (1) to develop the local infrastructure needed to operate our large detector (2) to start the handling of the underground liquid argon technology (3) to study the local background (4) to start the data taking with an initial liquid argon mass that will reach in a 5-6 year program the multi-kton goal. The T600 is to be considered as the first milestone on the road towards a total sensitive mass of 5000 tons: it is the first piece of the detector to be complemented by further modules of appropriate size and dimensions, in order to reach in a most efficient and rapid way the final design mass. In this document, we describe the physics program that will be accomplished within the first phase of the program.

研究の動機と目的

• 第二世代の陽子崩壊およびニュートリノ物理学を対象とする大規模な液体アルゴン時間投影連続器（LArTPC）の開発。
• 特に電子ニュートリノの中性子化バーストおよびミュオン/タウニュートリノ成分を含む、超新星ニュートリノに対する高い感度の達成。
• T600プロトタイプを用いて、大規模な液体アルゴン検出器技術の実現可能性の検証。
• 超新星および陽子崩壊物理学におけるニュートリノエネルギー、タイミング、方向性の正確な測定の実現。
• 中性子鎖反応およびフレーバー構成に特化した感受性を提供することで、既存のニュートリノ検出器を補完。

提案手法

• 高空間分解能および高エネルギー分解能を有する液体アルゴン時間投影連続器（LArTPC）を用い、荷電粒子のトラッキングおよびエネルギー損失の測定を実施。
• 技術的熟練度とインfra構築のため、T600プロトタイプ（600トン）から段階的に検出器を建設する戦略を採用。
• 高速なニュートリノバーストイベント（例：超新星崩壊時の1200 Hzピーク）を捉えるために、高精度なタイミングとゼロデッドタイムのデータ取得を実装。
• 検出器の優れたエネルギー分解能および角度分解能を活用し、電子ニュートリノ捕獲、弾性散乱、吸収過程を区別。
• 電子ニュートリノ捕獲のフェルミ関数および断面積式を適用：σ = 1.702×10⁻⁴⁴ Eₑ√(Eₑ²−mₑ²) F(Eₑ) cm²、F(Eₑ) = 1.56（Eₑ > 0.5 MeVの場合）。
• 中性子鎖反応に起因するミュオンおよびタウニュートリノの検出を可能にし、水シンチレーション検出器では検出できない。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 グランサッソ研究所に5000トンを超える感受質量を持つ大規模な液体アルゴン検出器を、信頼性高く建設・運用することが可能か？
• RQ2 0.6–1.2 ktonのLArTPCにおいて、超新星ニュートリノ（特に電子ニュートリノの中性子化バーストおよびミュオン/タウニュートリノ成分）の予想イベントレートはどの程度か？
• RQ3 ICARUS検出器の、中性子鎖反応に対する感受性は、IMBおよびKamiokande IIのような水シンチレーション検出器と比較してどう異なるか？
• RQ4 高速なオンセットおよび振動を示すニュートリノバーストの時間構造が、高精度なタイミングとゼロデッドタイムで解像可能か？
• RQ5 検出器が、⁴⁰Arにおけるフェルミおよびガモウ＝トレーラー遷移をどの程度正確に区別できるか？

主な発見

• 0.6 ktonの検出器では、10 kpc離れた超新星に対して、90件の吸収イベントおよび16件の弾性散乱イベントが予想される。1.2 ktonの検出器では、それぞれ45件および8件に増加する。
• 大マゼラン雲（60 kpc）における超新星では、0.6 kton構成で2件の吸収イベントおよび4件の弾性イベントが予想される。
• 中性子化バースト中、電子ニュートリノ捕獲率に1200 Hzのピークが予想され、その持続時間は約20 msで、デッドタイムなしに観測可能である。
• 中性子鎖反応によるミュオンおよびタウニュートリノの検出能力は、光水検出器では得られない独自の能力を提供する。
• ICARUSのエネルギーおよび角度分解能のおかげで、ニュートリノの方向およびフレーバーの正確な再構成が可能となり、イベントの超新星由来の確認が可能となる。
• T600プロトタイプは、5000トンを超える液体アルゴン検出器の建設の技術的実現可能性を検証する上で、極めて重要なマイルストーンである。