[論文レビュー] The Physics Potential of the LENA Detector

M. Wurm, Franz von Feilitzsch+10 more|arXiv (Cornell University)|Apr 20, 2010

Neutrino Physics Research参考文献 3被引用数 5

ひとこと要約

LENAは、太陽、地球、超新星ニュートリノの高精度分光測定、拡散超新星ニュートリノ背景（DSNB）の検出、および陽子崩壊感度の向上を可能にする50キロトン級の液体シンチレーター検出器を提案する。また、GeVスケールのエネルギー分解能3–8%で、長基準長ニュートリノビーム実験における遠方検出器としての実現可能性も示している。

ABSTRACT

The large-volume liquid-scintillator detector LENA (Low Energy Neutrino Astronomy) has been proposed as a next-generation experiment for low-energy neutrinos. High-precision spectroscopy of solar, Supernova and geo-neutrinos provides a new access to the otherwise unobservable interiors of Earth, Sun and heavy stars. Due to the potent background discrimination, the detection of the Diffuse Supernova Neutrino Background is expected for the first time in LENA. The sensitivity of the proton lifetime for the decay into Kaon and antineutrino will be increased by an order of magnitude over existing experimental limits. Recent studies indicate that liquid-scintillator detectors are capable to reconstruct neutrino events even at GeV energies, providing the opportunity to use LENA as far detector in a long-baseline neutrino beam experiment.

研究の動機と目的

• アストロフィジカルおよび地上由来の低エネルギーニュートリノを対象とする次世代の観測施設としてLENAを確立すること。
• 優れたバックグラウンド抑制により、拡散超新星ニュートリノ背景（DSNB）の初回検出を可能にすること。
• 特にK⁺ν̄崩壊チャネルにおいて、現在の限界値を10倍以上改善する陽子崩壊感度の向上。
• GeVスケールのトラックおよびエネルギー再構成を用いた長基準長ニュートリノビーム実験におけるLENAの遠方検出器としての可能性を評価すること。
• シミュレーションおよびR&Dを通じて、50キロトンスケールでの液体シンチレーター検出器（LSD）のスケーラビリティと性能を検証すること。

提案手法

• 直径26 m、高さ100 mの円筒形50キロトン級液体シンチレーター体積（SV）を採用し、主に線形アルキルベンゼン（LAB）をシンチレーター溶媒として使用する。
• 外部放射能からの遮蔽を目的に、ナイロン膜で仕切られた2 m厚の不活性液体バッファ体積（BV）を設け、ニュートリノ検出用のフィducialボリューム（FV）を定義する。
• 30%の光学被覆率で13,500個の20インチフォトマルチプライヤー（PM）を設置し、反射性のウィンストンコーンを追加して光子収率を向上させる。
• モンテカルロシミュレーションを用いて、GeVエネルギー域のチャージド・カレント反応における、イベントの頂点およびエネルギー分解能の再構成をモデル化する。
• GLoBESソフトウェアパッケージを用いて、CERNからPyhäsalmiへの2288 kmの基準長で、νμ → νeの出現およびνμの消失に起因する長基準長ニュートリノオシレーショングラフ感度をシミュレートする。
• 実際のビームパラメータを組み込む：年間3.3×10²⁰ POT、ビーム出力1.5 MW、エネルギースケール1–6 GeV、および1%の固有νe不純物。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 LENAは、バックグラウンド抑制と高い統計的精度により、拡散超新星ニュートリノ背景（DSNB）の初回検出を達成できるか？
• RQ2 LENAのK⁺ν̄崩壊への感度はどの程度で、現在の限界値を10倍以上改善できるか？
• RQ3 LENAは、チャージド・カレント反応において、エネルギー分解能が8%未満でGeVスケールのニュートリノイベントをどの程度再構成できるか？
• RQ4 LENAは、特にθ₁₃およびδCPの測定を目的とした長基準長ニュートリノビーム実験における競争力のある遠方検出器として機能できるか？
• RQ5 1–5 GeVのエネルギー範囲において、反応相手（例：p, n）およびニュートリノエネルギーに応じて、検出器の性能はどのように変化するか？

主な発見

• LENAは、高いバックグラウンド拒絶性能と大きなフィducialボリュームのおかげで、拡散超新星ニュートリノ背景（DSNB）の初回検出が予想される。
• 陽子がK⁺ν̄に崩壊する場合の感度は、既存の実験的限界値よりも10倍以上向上すると予想される。
• LENAにおけるチャージド・カレントニュートリノ反応のエネルギー分解能は、1–5 GeVの範囲で、反応相手やニュートリノ種別に応じて3%～8%の間で変動する。
• CERNからPyhäsalmiへの2288 kmの基準長において、LENAのθ₁₃感度はT2Kに比べて4倍向上すると予想され、sin²2θ₁₃ > 5×10⁻³の3σ発見可能性が実現可能となる。
• LENAは、GeVエネルギー域のニュートリノイベントのトポロジーを十分な精度で解明でき、長基準長実験におけるδCPおよびニュートリノ質量階層の測定を可能にする。
• R&Dおよびシミュレーション研究により、BorexinoおよびKamLAND型のLSDを50キロトンスケールにスケーリング可能であることが確認され、LABがシンチレーター溶媒として最適であると判明した。