[論文レビュー] The JHF-Kamioka neutrino project

Y. Itow, T. Kajita+23 more|ArXiv.org|Jun 5, 2001

Neutrino Physics Research参考文献 1被引用数 104

ひとこと要約

JHF-Kamiokaニュートリノプロジェクトは、JHFプロトンシンクロトロンから得られる高強度ニュートリノビームと、295 km離れたSuper-Kamiokande検出器を用いた第二世代の長基準長ニュートリノ振動実験を提案している。ニュートリノ混合パラメータの高精度測定、$\nu_e$出現に対する感度の20倍向上、CP対称性の破れおよび陽子崩壊の探索を目的としており、第二段階ではビーム出力を4 MWにアップグレードし、1,000トンのHyper-Kamiokande検出器を導入して感度を向上させる。

ABSTRACT

The JHF-Kamioka neutrino project is a second generation long base line neutrino oscillation experiment that probes physics beyond the Standard Model by high precision measurements of the neutrino masses and mixing. A high intensity narrow band neutrino beam is produced by secondary pions created by a high intensity proton synchrotron at JHF (JAERI). The neutrino energy is tuned to the oscillation maximum at ~1 GeV for a baseline length of 295 km towards the world largest water Cerenkov detector, Super-Kamiokande. Its excellent energy resolution and particle identification enable the reconstruction of the initial neutrino energy, which is compared with the narrow band neutrino energy, through the quasi-elastic interaction. The physics goal of the first phase is an order of magnitude better precision in the nu_mu to nu_tau oscillation measurement (delta(Delta m_23^2)=10^-4 eV^2 and delta(sin^22theta_23)=0.01), a factor of 20 more sensitive search in the nu_mu to nu_e appearance (sin^22theta_{mu e} ~ 0.5sin^22theta_{13}>0.003), and a confirmation of the nu_mu to nu_tau oscillation or discovery of sterile neutrinos by detecting the neutral current events. In the second phase, an upgrade of the accelerator from 0.75 MW to 4 MW in beam power and the construction of 1 Mt Hyper-Kamiokande detector at Kamioka site are envisaged. Another order of magnitude improvement in the nu_mu to nu_e oscillation sensitivity, a sensitive search of the CP violation in the lepton sector (CP phase "delta" down to 10-20 degrees), and an order of magnitude improvement in the proton decay sensitivity is also expected.

研究の動機と目的

• ニュートリノ質量および混合角の高精度測定を通じて、標準模型を超える物理学を探る。
• ニュートリノ振動におけるCP位相$\delta$の測定により、レプトン系におけるCP対称性の破れを探索する。
• 中性荷電流イベント検出を用いて、$\nu_\mu \to \nu_\tau$振動を確認する。
• 大容量の水チェレンコフ検出器を用いて、ストリルニュートリノの探索および陽子崩壊感度の向上を図る。
• 第二段階において、Hyper-Kamiokandeを用いて、$\nu_e$出現および陽子崩壊に対する感度を10倍向上させる。

提案手法

• 0.75 MWのプロトンシンクロトロンを用い、二次的なパイオニオンを生成することで、JHFで高強度の狭帯域ニュートリノビームを生成する。これは4 MWまでアップグレード可能である。
• ニュートリノエネルギーを約1 GeVに調整することで、295 kmの基準長における振動確率を最大化する。
• Super-Kamiokandeの優れたエネルギー分解能および粒子識別能力を活用し、準弾性反応を用いてニュートリノエネルギーを再構築する。
• 本実験は二段階の手法を採用する：第一段階はSuper-Kamiokandeを、第二段階は1,000トンのHyper-Kamiokande検出器を用いる。
• $\nu_e$出現の背景抑制は、厳密なイベント選別およびニュートリノフラックスと検出器応答のシミュレーションにより実現する。
• 陽子崩壊感度は、水中の自由陽子の選別と、運動量バランスおよびインヴァリアント質量カットを用いることで、背景を15倍低減する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 JHF-Kamioka実験は、$\nu_\mu$消失測定において、$\delta(\sin^2 2\theta_{23}) \sim 0.01$および$\delta(\Delta m^2_{23}) \lesssim 10^{-4}$ eV$^2$の精度を達成できるか？
• RQ2 実験は、$\sin^2 2\theta_{\mu e} \sim 3 \times 10^{-3}$（$\sin^2 2\theta_{13} \gtrsim 0.003$に相当）まで$\nu_e$出現を検出できるか？
• RQ3 中性荷電流イベント検出を用いて、$\nu_\mu \to \nu_\tau$振動を確認できるか？
• RQ4 大混合角解において$|\delta| \gtrsim 10^\circ - 20^\circ$の場合、レプトン系におけるCP対称性の破れを観測できるか？
• RQ5 20 Mt·yearの露出量で、$p \to e^+ \pi^0$に対して$10^{35}$年、$p \to \bar{\nu} K^+$に対して$3 \times 10^{34}$年までの陽子崩壊感度に達するか？

主な発見

• 第一段階では、$\nu_\mu$消失測定において$\delta(\sin^2 2\theta_{23}) \sim 0.01$および$\delta(\Delta m^2_{23}) \lesssim 10^{-4}$ eV$^2$の精度が達成される。
• 実験は、$\nu_e$出現に対する感度を20倍向上させ、$\sin^2 2\theta_{\mu e} \sim 3 \times 10^{-3}$に達する。
• 中性荷電流イベントの検出により、$\nu_\mu \to \nu_\tau$振動の確認およびストリルニュートリノの探索が可能になる。
• 20 Mt·yearの露出量で、$p \to e^+ \pi^0$に対して$10^{35}$年、$p \to \bar{\nu} K^+$に対して$3 \times 10^{34}$年の陽子崩壊感度に達する。
• 第二段階では、4 MWビームと1,000トンのHyper-Kamiokande検出器を用いることで、$|\delta| \gtrsim 10^\circ - 20^\circ$の場合、CP対称性の破れの発見が可能になる。
• $p \to e^+ \pi^0$による陽子崩壊の信号検出効率は17.4%であり、運動量バランスカットを用いることで背景を15倍低減できる。