[論文レビュー] Very Long Baseline Neutrino Oscillation Experiment for Precise Determination of Oscillation Parameters and Search for nu_mu -> nu_e Appearance and CP Violation

M. Diwan|arXiv (Cornell University)|Oct 31, 2002

Neutrino Physics Research参考文献 1被引用数 4

ひとこと要約

本論文は、ブルークヘンのAGSで1 MWの陽子ビームと、ネブラスカ州やニューメキシコ州の2500 kmの基準距離にある500 kTの水チェレンコフ検出器を組み合わせることで、ニュートリノ振動パラメータ、特にsin²(2θ₁₃)とΔm²₃₂を正確に測定し、ニュートリノ混合行列におけるCP対称性の破れを調査することを提案する。5×10⁷秒の運転時間の下で、この実験はν_μ → ν_eの出現チャンネルに対して高い感度を示し、反ニュートリノ運転によって、正の質量階層と逆転質量階層を区別できる。

ABSTRACT

The possibility of making a low cost, very intense (1MW) high energy proton source at the Brookhaven Alternating Gradient Synchrotron (BNL-AGS) along with the forthcoming new large underground detectors (approaching 1 MT in mass) at the National Underground Science and Engineering Laboratory (NUSEL) in Homestake, South Dakota or at the Waste Isolation Pilot Plant (WIPP) in Carlsbad, New Mexico, allows us to propose a program of experiments that will address fundamental aspects of neutrino oscillations and CP-invariance violation. This program is unique because of the very long baseline of more than 2500 km from BNL to the underground laboratory in the West. We used the running scenario of a low energy, wide band neutrino beam with 1 MW AGS, 500 kT of fiducial mass water Cherenkov detector, and 5x10^7 seconds of running time. In this report we show that with these conditions we precisely measure dm^2_32 and sin^2(2theta_23) and have excellent sensitivity to sin^2(2theta_13) with a distinctive signal spectrum. If sin^2(2theta_13) > 0.01 the experiment is sensitive to the CP-violating phase in the mixing matrix with only neutrino running. By running in the anti-neutrino mode we distinguish between the cases dm^2_31 > 0 versus dm^2_31 nu_e appearance channel.

研究の動機と目的

• 長基準距離ニュートリノ振動実験を用いて、ニュートリノ混合パラメータΔm²₃₂とsin²(2θ₂₃)を正確に決定すること。
• ν_μ → ν_eの出現チャンネルにおける特徴的な信号スペクトルを通じて、小さな混合角sin²(2θ₁₃)に対して高い感度を達成すること。
• 唯一のニュートリノ運転を用いて、CP対称性の破れ位相δ_CPを測定することで、ニュートリノ混合行列におけるCP対称性の破れを調査すること。
• ν_μとν̄_μの運転モードを比較することで、正の質量階層と逆転質量階層を区別すること。
• 低コストで高強度の1 MW陽子ビームと大規模な地下検出器を活用し、コスト効率が良く、高精度な振動プログラムを実現すること。

提案手法

• ブルークヘンのAGSで1 MWの陽子ビームから得られる低エネルギーで広帯域のニュートリノビームを用い、高強度のニュートリノフラックスを生成する。
• ホムステイクまたはWIPPに、2500 kmを超える基準距離に500 kTの有効質量を持つ水チェレンコフ検出器を設置し、振動感度を最大化する。
• 5×10⁷秒の運転時間を確保することで、精度測定とレア信号の検出に必要な統計的データを蓄積する。
• ν_μ → ν_eの出現事象を測定し、sin²(2θ₁₃)を抽出するとともに、CP対称性の破れを示唆する兆候となる振動スペクトルのずれを評価する。
• 補助的に反ニュートリノ運転を実施し、ニュートリノ質量階層を解きほぐし、Δm²₃₁ > 0とΔm²₃₁ < 0を区別する。
• エネルギー依存の事象スペクトルを解析することで、長基準距離と大規模な検出器質量を活かし、Δm²₃₂とsin²(2θ₂₃)を高精度で抽出する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 2500 kmの基準距離、1 MWビーム、500 kT検出器を用いたν_μ → ν_eの出現チャンネルが、sin²(2θ₁₃) > 0.01に対して高い感度を示せるか。
• RQ2 この長基準距離の構成において、唯一のニュートリノ運転を用いて、CP対称性の破れ位相δ_CPはどの程度制限できるか。
• RQ3 反ニュートリノ運転によって、正の質量階層と逆転質量階層を区別できるか。
• RQ4 提案された検出器とビーム構成で、Δm²₃₂とsin²(2θ₂₃)はどの程度の精度で測定できるか。
• RQ5 5×10⁷秒のデータを想定した現実的な運転条件下で、ニュートリノ混合行列におけるCP対称性の破れの感度はどの程度期待できるか。

主な発見

• ν_μ → ν_eの出現チャンネルにおける特徴的なエネルギースペクトルのおかげで、sin²(2θ₁₃)に対して高い感度が得られ、正確な測定が可能になる。
• sin²(2θ₁₃) > 0.01の場合、反ニュートリノデータを必要とせず、唯一のニュートリノ運転でCP対称性の破れ位相δ_CPを測定可能である。
• 反ニュートリノ運転により、正の質量階層（Δm²₃₁ > 0）と逆転質量階層（Δm²₃₁ < 0）を明確に区別できる。
• 1 MWの陽子ビーム、500 kTの検出器、2500 kmの基準距離の組み合わせにより、Δm²₃₂とsin²(2θ₂₃)の正確な決定が可能になる。
• 長基準距離と大規模な検出器質量のおかげで優れた統計的パワーが得られ、高精度な振動パラメータ抽出が可能になる。
• 提案された構成は、重要なニュートリノパラメータの測定と、レプトン系におけるCP対称性の破れの探査にコスト効率の良い道筋を提供する。