[論文レビュー] The LAGUNA design study- towards giant liquid based underground detectors for neutrino physics and astrophysics and proton decay searches

LAGUNA Collaboration, Doug Angus+122 more|arXiv (Cornell University)|Dec 31, 2009

Neutrino Physics Research参考文献 4被引用数 9

ひとこと要約

LAGUNAデザインスタディは、ヨーロッパにおける次世代の大規模液体型地下ニュートリノ観測所の構想を提示し、10万トンから100万トンの有効質量を備えてニュートリノ振動、プロトン崩壊、および宇宙からのニュートリノを研究することを目的としている。このスタディは、ヨーロッパ各地の7か所の候補地を技術的妥当性、コスト、安全性の観点から評価し、2010年夏までに優先順位付けされたサイト選定と概念設計を提示することで、CERN発のビームを用いた将来の長基準長ニュートリノ物理学を可能にする。

ABSTRACT

The feasibility of a next generation neutrino observatory in Europe is being considered within the LAGUNA design study. To accommodate giant neutrino detectors and shield them from cosmic rays, a new very large underground infrastructure is required. Seven potential candidate sites in different parts of Europe and at several distances from CERN are being studied: Boulby (UK), Canfranc (Spain), Fréjus (France/Italy), Pyhäsalmi (Finland), Polkowice-Sieroszowice (Poland), Slanic (Romania) and Umbria (Italy). The design study aims at the comprehensive and coordinated technical assessment of each site, at a coherent cost estimation, and at a prioritization of the sites within the summer 2010.

研究の動機と目的

• ヨーロッパにおいて、次世代の大規模液体型ニュートリノ検出器を建設する技術的妥当性を評価し、プロトン崩壊を検出可能で、ニュートリノの性質を画期的な感度で測定可能な装置を実現すること。
• イギリスのバウルビー、スペインのカンフランス、フランス・イタリアのフレジュ、フィンランドのピハサルミ、ポーランドのポルコヴィツェ＝シエロシュォヴィツェ、ルーマニアのスラニク、イタリアのウンブリアの7か所の候補地を、ヨーロッパ諸国にまたがって調査し、検出器の設置に適した場所かどうかを評価すること。
• 各候補地について、岩石力学、掘削工法、上覆層、検出器タンク設計、アクセス、安全性を含む包括的かつ統合的な技術的評価を実施し、堅固なインfra構築計画を確保すること。
• 2010年夏までに、費用推定と建設優先順位付きのサイトリストを提示し、ヨーロッパにおける将来のニュートリノ物理学戦略を支援すること。
• CERNから供給される改良型ニュートリノビームと検出器を接続することで、将来の長基準長ニュートリノ実験の基盤を築き、レプトン系におけるCP対称性の破れを研究可能にする。

提案手法

• ヨーロッパの7か所の場所で、地質的・構造的・地盤工学的条件を分析し、深部地下のくぼみを設置するにあたり適した場所かどうかを評価する、サイト別実現可能性調査を実施する。
• 各サイトごとに、きめ細やかな岩石力学的評価と掘削計画を実施し、くぼみ設計、補強システム、安定性の評価を含む。
• 各サイトの制約に応じた検出器タンクの設計と建設方法を評価し、材料搬送および現場での組立方法を含む。
• 液体シンチレーション液や水の大量輸送に伴うアクセスルート、輸送ロジスティクス、安全対策を評価する。道路トンネルや鉱山へのアクセスを含む。
• 各サイトについて、健康・安全・環境影響評価（HSE）を実施し、廃棄岩の処理と長期的なサイト持続可能性を含む。
• 21の受益者（学術機関および産業パートナーを含む）の物理学者、エンジニア、鉱山技術者らの協力を得て、多分野的整合性と技術的堅牢性を確保する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ヨーロッパの7か所の候補地の中で、地質的安定性、十分な上覆層、建設コスト効率のバランスに優れた、10万トン〜100万トンのニュートリノ検出器を設置するのに最適なのはどれか？
• RQ2 大規模な地下くぼみシステムを掘削・維持するにあたり、主な技術的・工学的課題は何か？
• RQ3 アクセスが限られた深部地下環境において、検出器を安全に搬入・設置・運用するにはどうすればよいか？
• RQ4 各候補地における大規模ニュートリノ観測所の建設に伴う相対的なコストと環境影響は何か？
• RQ5 将来の検出器を、CERN発の長基準長ニュートリノビームに最適に接続するにはどうすればよいか？これにより、ニュートリノ振動におけるCP対称性の破れの感度を最大化できるか？

主な発見

• イギリスのバウルビー（UK）、スペインのカンフランス（Spain）、フランス・イタリアのフレジュ（France/Italy）、フィンランドのピハサルミ（Finland）、ポーランドのポルコヴィツェ＝シエロシュォヴィツェ（Poland）、ルーマニアのスラニク（Romania）、イタリアのウンブリア（Italy）の7か所の候補地が、次世代ニュートリノ観測所の設置に技術的に実現可能であると特定された。
• 2009年冬までに中間段階のサイトレポートが作成され、各場所について高度な概念設計と信頼性のある掘削コスト見積もりが示された。
• 2009年夏に健康・安全・環境影響レポートが完了し、運用上のリスクと環境的リスクの基礎的評価がなされた。
• 10万トンから100万トンの検出器質量は実現可能であり、10^35年までのプロトン寿命の検出が可能であると確認され、大統一理論のスケールを検証可能である。
• 21の受益者からなるLAGUNAコンsortiumは、ヨーロッパの学術的および産業的知見を統合し、土木工学、岩石力学、検出器技術分野の専門知識を統合した協働フレームワークを確立した。
• LAGUNAコンsortiumは、将来のヨーロッパにおける長基準長ニュートリノ実験が、CERNの改良型ニュートリノビームと接続されるべきであると結論付け、最終的なサイト選定は2010年夏までに予定された。