[論文レビュー] Updated physics performance of the ESSnuSB experiment

A. Alekou, E. Baussan+49 more|arXiv (Cornell University)|Jun 25, 2021

Neutrino Physics Research参考文献 33被引用数 1

ひとこと要約

本論文は、ヨーロッパスパリュレーションソースからのスーパー・ビームを用いた、提案中の長基準長ニュートリノ振動実験であるESSnuSBの物理的性能を評価する。更新されたニュートリノフラックスおよび移行行列を用いて、δCP = ±90°における10σ（540 km）および13σ（360 km）のCP対称性破れの発見感度を示し、>5σでの70%のカバレッジを達成。δCP、質量階層、大気中混合パラメータの高精度測定が可能である。

ABSTRACT

In this paper, we present the physics performance of the ESSnuSB experiment in the standard three flavor scenario using the updated neutrino flux calculated specifically for the ESSnuSB configuration and updated migration matrices for the far detector. Taking conservative systematic uncertainties corresponding to a normalization error of $5\%$ for signal and $10\%$ for background, we find that there is $10\sigma$ $(13\sigma)$ CP violation discovery sensitivity for the baseline option of 540 km (360 km) at $\delta_{ m CP} = \pm 90^\circ$. The corresponding fraction of $\delta_{ m CP}$ for which CP violation can be discovered at more than $5 \sigma$ is $70\%$. Regarding CP precision measurements, the $1\sigma$ error associated with $\delta_{ m CP} = 0^\circ$ is around $5^\circ$ and with $\delta_{ m CP} = -90^\circ$ is around $14^\circ$ $(7^\circ)$ for the baseline option of 540 km (360 km). For hierarchy sensitivity, one can have $3\sigma$ sensitivity for 540 km baseline except $\delta_{ m CP} = \pm 90^\circ$ and $5\sigma$ sensitivity for 360 km baseline for all values of $\delta_{ m CP}$. The octant of $ heta_{23}$ can be determined at $3 \sigma$ for the values of: $ heta_{23} > 51^\circ$ ($ heta_{23} < 42^\circ$ and $ heta_{23} > 49^\circ$) for baseline of 540 km (360 km). Regarding measurement precision of the atmospheric mixing parameters, the allowed values at $3 \sigma$ are: $40^\circ < heta_{23} < 52^\circ$ ($42^\circ < heta_{23} < 51.5^\circ$) and $2.485 imes 10^{-3}$ eV$^2 < \Delta m^2_{31} < 2.545 imes 10^{-3}$ eV$^2$ ($2.49 imes 10^{-3}$ eV$^2 < \Delta m^2_{31} < 2.54 imes 10^{-3}$ eV$^2$) for the baseline of 540 km (360 km).

研究の動機と目的

• 更新されたニュートリノフラックスおよび検出器応答シミュレーションを用いて、ESSnuSB実験のCP対称性破れ発見可能性を評価すること。
• 異なる基準長（360 kmおよび540 km）におけるδCP測定の精度を評価すること。
• ESSnuSBのニュートリノ質量階層およびθ23のオクタントへの感受性を特定すること。
• 大気中混合パラメータΔm²₃₁およびθ23の測定精度を定量化すること。
• 保守的な系統的不確実性仮定（信号5%、バックグラウンド10%の正規化誤差）下での結果の頑健性を評価すること。

提案手法

• 更新されたビームおよびターゲットパラメータを用いて、ESSnuSB構成に特有のニュートリノフラックスをシミュレートする。
• 遠方検出器応答に適した、Hyper-K幾何学に基づく更新された移行行列を適用する。
• χ²-尤度解析を実施し、δCP、質量階層、θ23のオクタントへの感受性を評価する。
• θ12、θ13、θ23、Δm²₂₁、Δm²₃₁、δCPをパラメータとする標準的な3フラーバーのニュートリノ振動フレームワークを用いる。
• 保守的な系統的不確実性を実装：信号に対して5%の正規化誤差、バックグラウンドに対して10%。
• 360 kmおよび540 kmの両基準長について性能を評価し、最大20年までの延長運転も含む。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 δCP = ±90°における、360 kmおよび540 km基準長のESSnuSBのCP対称性破れ発見感度はいかほどか？
• RQ2 CP対称性破れの>5σの有意水準で測定可能なδCP値の割合はどの程度か？
• RQ3 δCP = 0°およびδCP = −90°における、540 km（360 km）基準長でのδCPの1σ精度はどの程度か？
• RQ4 2つの基準長において、ニュートリノ質量階層およびθ23のオクタントへの感受性はどの程度か？
• RQ5 2つの基準長設定における、Δm²₃₁およびθ23の3σ許容範囲は何か？

主な発見

• ESSnuSB実験は、δCP = ±90°において、540 km基準長で10σ、360 km基準長で13σのCP対称性破れ感度を達成し、δCP値の70%が>5σで発見可能である。
• δCP = 0°では1σ精度が約5°、δCP = −90°では540 km基準長で14°（360 km基準長で7°）の精度が期待される。
• 質量階層に関しては、540 km基準長ではδCP = ±90°を除き3σ感度が達成可能であり、360 km基準長ではすべてのδCP値で5σ感度が達成される。
• θ23のオクタントは、540 km基準長でθ23 > 51°、360 km基準長でθ23 < 42°またはθ23 > 49°の条件下で3σで同定可能である。
• 大気中混合パラメータの3σ許容範囲は、540 km基準長で40° < θ23 < 52°および2.485×10⁻³ eV² < Δm²₃₁ < 2.545×10⁻³ eV²、360 km基準長で42° < θ23 < 51.5°および2.49×10⁻³ eV² < Δm²₃₁ < 2.54×10⁻³ eV²である。
• 運転時間の延長に伴い感度が著しく向上：20年運転では、540 km基準長で13σ、360 km基準長で15σのCP発見感度が得られ、>5σでのカバレッジはそれぞれ76%（80%）に達する。