[論文レビュー] Whitepaper on the DAEdALUS Program

Christoph Aberle, Andreas Adelmann+35 more|arXiv (Cornell University)|Jul 11, 2013

Astrophysics and Cosmic Phenomena参考文献 17被引用数 20

ひとこと要約

DAEÐ ALUSプログラムは、高パワーのサイクロトロンを用いた段階的R&Dイニシアチブを提唱し、1.5 km、8 km、20 kmの基準距離で$ar{\nu}_\mu \to \bar{\nu}_e$遷移を介した$CP$違反の探索を可能にする精度の高いニュートリノ物理学を実現する。Hyper-Kと組み合わせることで、$δ_{CP}$に対して4〜12度の感度を達成し、単独実験を上回る性能を発揮する。同時に、高感度のステルラニュートリノ探索（IsoDAR）と医療用ラジオアイソトープの生産も可能となる。

ABSTRACT

This whitepaper describes the status of the DAEdALUS program for development of high power cyclotrons as of the time of the final meeting of the Division of Particles and Fields 2013 Community Study ("Snowmass"). We report several new results, including a measurement capability between 4 and 12 degrees on the CP violating parameter in the neutrino sector. Past results, including the capability of the IsoDAR high Dm^2 antielectron neutrino disappearance search, are reviewed. A discussion of the R&D successes, including construction of a beamline teststand, and future plans are provided. This text incorporates short whitepapers written for subgroups in the Intensity Frontier and Frontier Capabilities Working Groups that are available on the Snowmass website.

研究の動機と目的

• 崩壊静止状態の$\bar{\nu}_\mu$ビームを用いたニュートリノ系における$CP$違反の高精度測定を実現する高パワーのサイクロトロン施設の開発。
• サイクロトロン駆動源から得られる純粋な$\bar{\nu}_e$フラックスを用いて、他の提案よりも5倍高い感度でステルラニュートリノに起因する$\bar{\nu}_e$消失探索を可能にする、IsoDARの実現。
• 10-MWのビーム出力をGeVエネルギーで達成可能なコスト効率の良い高パワーのサイクロトロンの実証を通じた加速器技術の前進。これはADSおよびアイソトープ生産への応用を可能にする。
• Best Cyclotrons, Inc.およびカタニアでのテストスタンドを活用したスケーラブルでモジュール型のR&Dプログラムを構築し、本格稼働前の主要部品の検証を実施。
• ニュートリノ物理学をはじめとする分野における高パワー加速器応用の分野で、線形加速器（linac）の代替手段としてのサイクロトロンの実現可能性と低コスト性を確立すること。

提案手法

• インジェクターサイクロトロン（DIC）に続く超伝導リングサイクロトロン（DSRC）からなる二段サイクロトロン構造を採用。両者とも高ビーム出力および高デューティファクターを最適化。
• 停止したミューオンの崩壊静止（DAR）を用いて、非常にコヒーレントで純粋な$\bar{\nu}_e$ビームを生成。背景が最小限に抑えられ、振動研究に最適。
• 1.5 km、8 km、20 kmの三つの基準距離に検出器を配置する多基準距離戦略を採用。これにより、基準距離関数としての$̅{\nu}_\mu \to \bar{\nu}_e$振動確率を測定し、$δ_{CP}$に敏感な測定が可能。
• Best Cyclotrons, Inc.に設置されたビームラインテストスタンドおよびカタニアに計画中のテストスタンドを活用。ビームダイナミクス、イオン源性能、低エネルギービーム輸送の検証を実施。
• 既存の二価ヘリウムイオン（He++）を用いたイオン源を活用し、60 MeVのアルファビームを生成。これにより、$^{82}$Sr/$^{81}$Rbなどの医療用アイソトープを生産可能。
• DSRCは800 MeVに達し、PSIの5倍の電流を達成。これにより、核廃棄物のトランスミューテーションやトリチウム生産を目的とした加速器駆動系（ADS）への応用が可能となる。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 DAEÐ ALUSプログラムがニュートリノ混合行列における$CP$違反パラメータ$δ_{CP}$に対して達成可能な感度はどの程度か。
• RQ2 高パワーで高デューティファクターを達成するサイクロトロンシステムは、ステルラニュートリノに起因する$\bar{\nu}_e$消失探索に適した純粋な$\bar{\nu}_e$ビームをどのように生成できるか。
• RQ3 GeVエネルギーでの10-MWビーム出力にまでスケーリング可能なサイクロトロンにおける技術的およびR&D上の課題は何か。また、段階的開発とテストスタンドによる検証によってこれらの課題は克服可能か。
• RQ4 同じサイクロトロンインfraストラクチャが、ニュートリノ物理学を越えて、医療用アイソトープ生産や加速器駆動系（ADS）への応用をどの程度までカバーできるか。
• RQ5 DAEÐ ALUSの設計は、ニュートリノおよび核エネルギー計画における高パワー加速器応用において、線形加速器（linac）ベースの代替案と比較して、コストと性能の面でどの程度優位性を示すか。

主な発見

• DAEÐ ALUSプログラムがHyper-Kと組み合わせることで、$δ_{CP}$パラメータに対して4〜12度の感度を達成し、LBNEやHyperK単体の実験を上回る性能を示す。
• インジェクターサイクロトロンが供給する純粋な$\bar{\nu}_e$フラックスにより実現されるIsoDAR実験は、他の提案と比較してステルラニュートリノ振動に起因する感度が5倍向上する。
• Best Cyclotrons, Inc.に設置されたビームラインテストスタンドは、インジェクターサイクロトロンのビーム輸送およびイオン源性能を成功裏に実証し、主要なR&Dマイルストーンの達成を裏付けた。
• 提案されたDSRC設計は800 MeVに達し、PSI比で5倍の電流を達成。これにより、ADS応用に適した10-MWクラス加速器としての資格を満たす。
• サイクロトロンは600 kWの60 MeVプロトンを加速可能であり、これにより既存の30–40 MeV機器と比較して、$^{82}$Sr/$^{81}$Rbや$^{52}$Feなどの医療用アイソトープの生成量を著しく増加可能。
• アルファビーム（He++）を加速できる能力のおかげで、$^{122}$I や $^{28}$Mg といった短寿命PETアイソトープのキャリアフリー生産の新たな道筋が開かれ、臨床応用の可能性を秘める。