[論文レビュー] The use of a high intensity neutrino beam from the ESS proton linac for measurement of neutrino CP violation and mass hierarchy

E. Baussan, M. Dracos+4 more|arXiv (Cornell University)|Dec 20, 2012

Neutrino Physics Research参考文献 8被引用数 19

ひとこと要約

本論文は、スウェーデン・マルムの建設中のヨーロッパスパルテーションソース（ESS）陽子リニアックを活用し、中性子生成と並行して高強度5 MWの中性子ビームを生成する手法を提案する。400 kmの基準距離に100万トン規模の水チェレンコフ検出器を設置することで、8年間の反中性子と2年間の中性子運転により、δ位相空間の48％においてCP対称性の破れが5σで発見可能であり、質量階層は大部分のδ範囲で3σで特定可能であることが示された。

ABSTRACT

It is proposed to complement the ESS proton linac with equipment that would enable the production, concurrently with the production of the planned ESS beam used for neutron production, of a 5 MW beam of 10$^{23}$ 2.5 GeV protons per year in microsecond short pulses to produce a neutrino Super Beam, and to install a megaton underground water Cherenkov detector in a mine to detect $ν_e$ appearance in the produced $ν_μ$ beam. Results are presented of preliminary calculations of the sensitivity to neutrino CP violation and the mass hierarchy as a function of the neutrino baseline. The results indicate that, with 8 years of data taking with an antineutrino beam and 2 years with a neutrino beam and a baseline distance of around 400 km, CP violation could be discovered at 5 $σ$ (3 $σ$) confidence level in 48% (73%) of the total CP violation angular range. With the same baseline, the neutrino mass hierarchy could be determined at 3 $σ$ level over most of the total CP violation angular range. There are several underground mines with a depth of more than 1000 m, which could be used for the creation of the underground site for the neutrino detector and which are situated within or near the optimal baseline range.

研究の動機と目的

• ESS陽子リニアックを用いて、CP対称性の破れおよび中性子質量階層の精密測定を目的とした高強度中性子ビームの生成可能性を検討すること。
• ニュートリノ系におけるCP対称性の破れに対する感度を最大化するための最適な基準距離を特定すること。
• 深地中の鉱山に設置可能な100万トン規模の水チェレンコフ検出器が、νₘuビームにおけるνₑ出現を検出する可能性を評価すること。
• ESS施設のアップグレードによる中性子とニュートリノの同時生成のコストパフォーマンスおよび技術的実現可能性を評価すること。
• ESSに近接し、深さ（1000 m以上）を満たすヨーロッパの適切な地下鉱山を特定し、大規模ニュートリノ検出器の設置候補とする

提案手法

• 中性子生成のため5 MWで稼働中の2.5 GeVのESS陽子リニアックを活用し、H⁻イオンを加速して5 MWの中性子ビームを生成する。
• 陽子束の間の70 msのギャップ中にH⁻イオンパルスをリニアックに注入し、蓄積リングで電子を剥ぎ取り、マイクロ秒パルスに圧縮してニュートリノターゲットに注入する。
• ニュートリノホーンを用いてターゲットで生成されたパイオニオンを前方ビームに集束させ、20 mの崩壊トンネル内でミュオンニュートリノに崩壊させる。
• モンテカルロ法を用いて、ビームエネルギー、基準距離、検出器応答を考慮したνₘu → νₑの振動確率をシミュレーションする。
• 宇宙線背景を低減するために、少なくとも1000 m地下（3000 m w.e.）に位置する100万トン規模の水チェレンコフ検出器を設計する。
• CP対称性の破れおよび質量階層に対する感度を、δの全範囲にわたって統計的有意水準（5σおよび3σ）を用いて評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ニュートリノ系におけるCP対称性の破れに対する感度を最大化するための、ESSニュートリノ源と遠方検出器との間の最適な基準距離は何か？
• RQ2 ESS陽子リニアックは、主たる中性子生成任務と並行して5 MWの中性子ビームを生成するようにアップグレード可能か？
• RQ3 400 kmの基準距離で、8年間の反中性子と2年間の中性子運転を用いた場合、CP対称性の破れのδ位相空間の何パーセントが5σの有意水準で探査可能か？
• RQ4 この設定を用いて、全δ範囲にわたって、ニュートリノ質量階層はどの程度3σの信頼水準で特定可能か？
• RQ5 ヨーロッパに存在する、十分な深さ（1000 m以上）とESSへの近接性を満たす、既存または再稼働可能な地下鉱山はどこか？

主な発見

• 400 kmの基準距離で、8年間の反中性子と2年間の中性子運転により、全δ位相空間の48％においてCP対称性の破れが5σの信頼水準で発見可能であり、73％の範囲で3σの信頼水準で検出可能である。
• 同じ400 kmの基準距離とデータ取得戦略を用いることで、最適化を追加で行わずとも、大部分のδ位相空間でニュートリノ質量階層が3σの信頼水準で特定可能である。
• CP対称性の破れに対する感度が最適となる基準距離の範囲は200 kmから550 kmであり、オスカークルン、ジンクルーヴァン、ガーペンベルグの鉱山が最適候補と特定された。
• H⁻源、5 MWのRFパワー、蓄積リング、ニュートリノターゲットを追加するESSリニアックのアップグレードにより、追加コストを抑えつつ、ニュートリノと中性子ビームの同時生成が可能となる。
• スウェーデンおよびフィンランドのいくつかの深い鉱山（例：ジンクルーヴァン（1100 m、ESSから365 km）、ピューシャルミ（1440 m、1140 km））は、深さと近接性を満たしており、検出器の設置に適している。
• 約65万m³の検出器体積には、既存のインフラ（輸送坑道など）が利用可能であると仮定した場合、掘削および内装に約1億EUR（100 MEUR）が必要となる。