[論文レビュー] The SPL-based Neutrino Super Beam

E. Baussan, J Bielski+26 more|arXiv (Cornell University)|Dec 4, 2012

Neutrino Physics Research被引用数 17

ひとこと要約

本論文は、SPL加速器を用いたCERNにおける高強度ニュートリノスーパーベームの概念的設計を提示する。4 MW、4.5 GeVの陽子ビームを固体チタニウムペブルベッド標的に照射し、1つの磁気ホーンを用いてパイオニオンを焦点化する。最適化された設計により、特に500 MeVおよび260 MeVのオシレーショングリッド最大付近でニュートリノ発生率が向上し、従来の水銀ジェットベースの設計と比較してCP対称性破れの発見可能性が30%以上向上する。遮蔽および部品寿命に関する致命的な問題は同定されなかった。

ABSTRACT

The EUROnu Super Beam work package has studied a neutrino beam based on SPL at CERN and aimed at MEMPHYS, a large water Cherenkov detector, proposed for the Laboratoire Souterrain de Modane (Fréjus tunnel, France), with a baseline of 130 km. The aim of this proposed experiment is to study the CP violation in the neutrino sector. In the study reported here, we have developed the conceptual design of the neutrino beam, especially the target and the magnetic focusing device. Indeed, this beam present several unprecedented challenges, like the high primary proton beam power (4 MW), the high repetition rate (50 Hz) and the low energy of the protons (4.5 GeV). The design is completed by a study of all the main component of the system, starting from the transport system to guide the beam to the target up to the beam dump.

研究の動機と目的

• CERNのSPL加速器を基盤とする、実現可能で高強度のニュートリノスーパーベーム施設の開発を目的とする。
• 4 MWの陽子ビーム出力、50 Hzの高繰返し周波数、4.5 GeVの低陽子エネルギーという課題を、新規の標的およびホーンシステムで解決することを目的とする。
• 複雑な水銀ジェット標的および二重ホーンシステムに代わり、より単純で頑丈な固体チタニウムペブルベッド標的と単一ホーン設計を採用することを目的とする。
• 130 kmの基準距離におけるMEMPHYS検出器の物理的性能を最適化し、CP対称性破れの発見可能性に焦点を当てたニュートリノ発生率の最適化を目的とする。
• 極端な条件下における活性化、遮蔽、部品寿命の徹底的分析を通じて、放射線的安全性を確保することを目的とする。

提案手法

• SPLの超伝導リニアックと蓄積リングを用い、50 Hzで4.5 GeVの陽子ビームを4 MWで標的ステーションに供給する。
• 1 MW/ビームラインに分散する分割ビーム構成を採用し、各装置の熱負荷を低減する。
• ヘリウム冷却を用いたチタニウム球のパッケージドベッド標的を設計し、1ユニットあたり最大1 MWの熱負荷を効率的に除去する。
• 300–350 kAのパルス電流を用いた単一の電磁ホーンを最適化し、パイオニオンを焦点化する。有限要素解析と過渡応力解析を用いる。
• ハドロン反応、活性化、遮蔽部品の線量率をモデル化するために、モンテカルロシミュレーション（FLUKAおよびGEANT4）を適用する。
• HARPデータを用いた再重み付けをFLUKAシミュレーションに適用し、発生断面積の精度を向上させ、発生率予測を改善する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 1 MW/ビームラインの熱負荷を効率的に処理しつつ、熱的および動的応力下でも機械的整合性を維持できる固体チタニウムペブルベッド標的は、実現可能であるか？
• RQ2 最適化された単一ホーン設計は、従来の二重ホーン水銀ジェットシステムと比較して、ニュートリノ発生率およびCP対称性破れ感受性においてどの程度優れているか？
• RQ3 4 MW陽子ビーム施設の放射線安全規格を満たすために、必要な遮蔽厚さおよび配置は何か？
• RQ4 50 Hzの運転および高中性子フラクチャー下で、ホーンおよび標的部品の予想寿命はどの程度か？
• RQ5 従来の設計と比較して、新設計はニュートリノ系におけるCP対称性破れの発見可能性をどの程度向上させるか？

主な発見

• チタニウムペブルベッド標的は、1ビームラインあたり1 MWの熱負荷を処理するのに十分な熱的・機械的耐久性を示し、予備的分析ではさらなる高出力運転の可能性も示唆されている。
• 最適化された単一ホーン設計により、500 MeV近辺でνμ発生率が最大30%向上し、260 MeVのオシレーショングリッド最大付近でも発生率が向上する一方、誤ったCP成分（ν̄e、ν̄μ）は2倍以上減少した。
• 3σでのCP対称性破れ発見可能性は、従来の水銀ベース設計を上回っており、FLUKAおよびHARP再重み付けモデルを用いた新しい限界値は、(sin²2θ₁₃, δCP)パrameter空間全域で感受性が向上している。
• 遮蔽要件は大きくはあるが実現可能であり、鉄製被覆付きトンネルおよびビームダム遮蔽を設計することで、放射線安全基準を満たしつつ、過度なコストや工学的複雑性を回避できる。
• 疲労および中性子照射の予備的分析から、ホーンおよび標的部品は所定の期間にわたり50 Hzの通常運転に耐える見込みである。
• 複雑な水銀ジェットの封じ込めおよび二重ホーン用電源の不要化により、技術的リスクおよび工学的複雑性が顕著に低減された。