[論文レビュー] The LBNO long-baseline oscillation sensitivities with two conventional neutrino beams at different baselines

LBNO Collaboration, Sanjib Kumar Agarwalla+158 more|arXiv (Cornell University)|Dec 2, 2014

Neutrino Physics Research参考文献 23被引用数 8

ひとこと要約

本論文は、CERNのビーム（2300 km）に加え、プロトビノIHEP加速器（1160 km）からの第二の従来型ニュートリノビームを長基線ニュートリノ観測所（LBNO）実験に追加することで、同実験のCP対称性の破れに対する感度を向上させることを提案している。異なる基線を持つ二つのビームを組み合わせることで、単一ビームの増強に依存するのとは異なり、CP対称性の破れの感度が向上し、10年間の運転後、20 ktonの検出器を用いれば真のδCP値の50％、70 ktonの検出器を用いれば75％の範囲で3σの感度を達成する。

ABSTRACT

The proposed Long Baseline Neutrino Observatory (LBNO) initially consists of $\sim 20$ kton liquid double phase TPC complemented by a magnetised iron calorimeter, to be installed at the Pyhäsalmi mine, at a distance of 2300 km from CERN. The conventional neutrino beam is produced by 400 GeV protons accelerated at the SPS accelerator delivering 700 kW of power. The long baseline provides a unique opportunity to study neutrino flavour oscillations over their 1st and 2nd oscillation maxima exploring the $L/E$ behaviour, and distinguishing effects arising from $δ_{CP}$ and matter. In this paper we show how this comprehensive physics case can be further enhanced and complemented if a neutrino beam produced at the Protvino IHEP accelerator complex, at a distance of 1160 km, and with modest power of 450 kW is aimed towards the same far detectors. We show that the coupling of two independent sub-MW conventional neutrino and antineutrino beams at different baselines from CERN and Protvino will allow to measure CP violation in the leptonic sector at a confidence level of at least $3σ$ for 50\% of the true values of $δ_{CP}$ with a 20 kton detector. With a far detector of 70 kton, the combination allows a $3σ$ sensitivity for 75\% of the true values of $δ_{CP}$ after 10 years of running. Running two independent neutrino beams, each at a power below 1 MW, is more within today's state of the art than the long-term operation of a new single high-energy multi-MW facility, which has several technical challenges and will likely require a learning curve.

研究の動機と目的

• 単一のニュートリノビームによるものより高い感度を達成できる範囲を超えて、LBNO実験のレプトン系におけるCP対称性の破れに対する感度を向上させること。
• CERNとプロトビノの異なる加速器から得られる2つの従来型ニュートリノビームを組み合わせることで、パラメータのデゲネラシーを解消し、振動測定の精度を向上させられるかどうかを評価すること。
• 1 MW未満の低出力ビームを2つ運用することと、1つの高出力マルチ-MW施設を運用することの間での実現可能性と利点を評価すること。
• 全パラメータ空間にわたってδCPの3σ感度を達成するための必要な検出器サイズと露出量を特定すること。

提案手法

• 本研究では、CERN SPS加速器（400 GeV、700 kW、2300 km基線）とプロトビノIHEP施設（70 GeV、450 kW、1160 km基線）を用いた二重ビーム設定をモデル化している。
• 20 ktonの液体アルゴン検出器をピハサルミ鉱山に設置した状況を想定し、二重ビーム設定と同等の総POTを持つ単一ビームシナリオを比較している。
• P2Pビーム（40×10^20 POT）の統計的パワーを、C2Pビームの露出量に相当するようにスケーリング係数を用いて等価化し、等価露出量は7×10^20 POTとなった。
• 統計的優位性を排除するため、C2Pには15×10^20 POT、単一ビームシナリオには22×10^20 POTの露出量を用いている。
• 系統的不確実性、振動パラメータの事前分布、検出器応答を考慮して、現実的な感度性能を評価している。
• 10年間の運転期間にわたり、20 ktonおよび70 ktonの検出器設定の両方について、二重ビーム設定の性能を評価している。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 異なる基線を持つ2つの従来型ビームを用いた二重ビームニュートリノ設定は、同等の総露出量を持つ単一ビームよりも、CP対称性の破れに対する感度を向上させられるか？
• RQ2 異なるL/E比を持つ2つのビームの組み合わせは、特にδCPと質量階層に関して、ニュートリノ混合パラメータのデゲネラシーをどの程度解消できるか？
• RQ3 2つの低出力ビームを用いて、レプトン系におけるCP対称性の破れに3σの感度を達成するための必要な検出器サイズとビーム露出量は何か？
• RQ4 統計的および系統的不確実性の観点から、二重ビーム設定の感度は、露出量を増強した単一ビーム施設と比べてどの程度優れているか？
• RQ5 1 MW未満の2つの独立したビームを運用することは、1つのマルチ-MWビームを運用することよりも技術的に実現可能であり、CP対称性の破れや質量階層の決定において優れた物理的到達範囲を提供するか？

主な発見

• 20 ktonの検出器を用いた場合、10年間の運転後、真のδCP値の50％の範囲でCP対称性の破れに対して3σの感度を達成する。
• 70 ktonの検出器を用いた場合、真のδCP値の75％の範囲で3σの感度に到達し、単一ビーム性能を顕著に上回る。
• 二重ビーム設定による感度向上は、露出量の増加による統計的改善を上回っており、異なるL/E比を用いることでパラメータのデゲネラシーを解消できる点に起因する。
• 二重ビーム設定が単一ビームと同等の感度を達成するには、C2Pビームの露出量を約30×10^20 POTに増加させる必要があり、二重基線情報の追加価値を裏付けている。
• 本研究は、1 MW未満の2つのビームが、1つのマルチ-MWビームよりも運用的に実現可能であり、CP対称性の破れおよび質量階層の決定において優れた物理的到達範囲を提供できることを確認している。
• ビーム、検出器、系統的不確実性に関する現実的な仮定のもとでも、結果は妥当であり、将来的な長基線実験における二重ビーム手法の実現可能性を支持している。