[논문 리뷰] A CERN-based high-intensity high-energy proton source for long baseline neutrino oscillation experiments with next-generation large underground detectors for proton decay searches and neutrino physics and astrophysics

A. Rubbia|arXiv (Cornell University)|2010. 03. 09.

Neutrino Physics Research참고 문헌 36인용 수 19

한 줄 요약

이 논문은 유럽의 장거리 기울기 실험을 위한 중성자비 초빔을 생산하기 위해 CERN 기반의 고강도·고에너지 프로톤 소스(30–50 GeV)를 제안한다. 다이아몬드급 프로톤 비트와 130–2300 km의 기울기에서의 차세대 지하 검출기들을 활용함으로써, 중성자비 혼합 각도 θ₁₃의 정밀 측정, 중성자비 질량 계층의 규명, 렙톤 부문에서의 CP 위반 발견 가능성을 가능하게 한다. 피하살미(핀란드)는 장거리 기울기와 낮은 물질 효과로 인해 특히 유리한 위치로 부각된다.

ABSTRACT

The feasibility of a European next-generation very massive neutrino observatory in seven potential candidate sites located at distances from CERN ranging from 130 km to 2300 km, is being considered within the LAGUNA design study. The study is providing a coordinated technical design and assessment of the underground research infrastructure in the various sites, and its coherent cost estimation. It aims at a prioritization of the sites within summer 2010 and a start of operation around 2020. In addition to a rich non-accelerator based physics programme including the GUT-scale with proton decay searches, the detection of a next-generation neutrino superbeam tuned to measure the flavor-conversion oscillatory pattern (i.e. 1st and 2nd oscillation maxima) would allow to complete our understanding of the leptonic mixing matrix, in particular by determining the neutrino mass hierarchy and by studying CP-violation in the leptonic sector, thereby addressing the outstanding puzzle of the origin of the excess of matter over antimatter created in the very early stages of evolution of the Universe. We focus on a multi-MW-power neutrino superbeam (="hyperbeam") produced by high-intensity primary protons of energy 30$÷$50 GeV. We argue that this option is an effective way to establish long baseline neutrino physics in Europe with the high-stake prospects of measuring $θ_{13}$ and addressing CP-violation in the leptonic sector.

연구 동기 및 목표

• 표준 모델을 초월한 기본 물리학을 탐구하기 위해 유럽에서 차세대 초거대 중성자비 관측소(100,000–1,000,000 톤)를 구축하는 것.
• 고정밀 중성자비 진동 측정을 통해 렙톤 부문에서의 CP 위반을 탐색함으로써 물질-반물질 비대칭성의 미해결 수수께끼를 해결하는 것.
• 수명 한계를 10³⁵년까지 연장함으로써 양성자 붕괴에 대한 민감도를 향상시켜 GUT 스케일 물리학을 시험하는 것.
• 초신성, 초기 우주, 암흑물질 붕괴에서 비롯된 천체물리적 중성자비에 대한 정밀 연구를 가능하게 하는 것.
• 고출력 프로톤 소스와 최적화된 비트라인 설계를 활용하여 기술적으로 실현 가능하고 비용 효율적이며 시기적절한 장거리 기울기 중성자비 물리학의 길을 제시하는 것.

제안 방법

• CERN 고출력 프로톤 싱크로트론(HP-PS2)에서 유도하는 고강도 프로톤 비트(30–50 GeV)를 활용해 넓은 대역의 중성자비 초빔을 생성한다.
• 비트를 옆으로 초점 조절하여 첫 번째 및 두 번째 진동 최대치에서 공명을 최적화한다.
• NUMI-ME를 모델로 삼은 새로운 비트라인을 설계하여 고성능 목표 및 자기 호른 시스템을 구현함으로써 다이아몬드급 비트 전력(다중 메가와트)을 달성한다.
• 기준 거리(130–2300 km)와 암석 덮개 두께(600–4800 m.w.e.)가 다른 7개의 후보지(예: 피하살미, 브울비, 슬라니크)를 대상으로 성능 평가를 수행한다.
• GLOBES 기반 시뮬레이션을 통해 5년간의 중성자비 및 반중성자비 운행을 기반으로 θ₁₃, 질량 계층, CP 위반의 발견 가능성을 계산한다.
• CP 위반 및 질량 계층에 대한 민감도를 극대화하기 위해 비트 파arameter(예: 연간 3×10²¹ pot)와 기울기 선택을 최적화한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 CERN 기반의 고강도 프로톤 소스는 마지막으로 알려지지 않은 혼합 각도 θ₁₃를 고정밀도로 측정할 수 있는 중성자비 초빔을 생성할 수 있는가?
• RQ2 레프톤 부문에서의 CP 위반 감지 민감도를 극대화하기 위해 최적의 기울기와 비트 에너지 조합은 무엇인가?
• RQ3 CERN에서 출발하는 장거리 기울기 초빔을 통해 중성자비 질량 계층을 높은 신뢰도로 규명할 수 있는가?
• RQ4 다른 깊이와 CERN에서의 거리가 다른 후보지에서 초빔의 성능은 어떻게 달라지는가?
• RQ5 다이아몬드급 프로톤 소스는 수명 한계를 10³⁵년까지 연장함으로써 양성자 붕괴에 대한 민감도를 상당히 향상시킬 수 있는가?

주요 결과

• 50 GeV 프로톤과 연간 3×10²¹ pot의 CERN 기반 하이퍼빔은 5년간의 중성자비 운행 동안 sin²2θ₁₃ ≈ 0.01까지 3σ의 발견 가능성을 확보한다.
• 피하살미(2300 km 기울기)는 최적의 물질 효과와 π-전이 효과에 의한 모호성 감소로 인해 CP 위반 감지에 가장 높은 민감도를 제공한다.
• 더 긴 기울기에서 질량 계층 식별 능력이 크게 향상되며, 2300 km 기울기는 잘못된 계층을 배제하는 데 가장 우수한 성능을 보인다.
• 1300 km 기울기(예: 프레주스)는 물질 효과가 CP 위반 감지에 최대가 되는 '마법의 거리'에 가까운 위치에 있다.
• 중성자비 5년 운행과 반중성자비 5년 운행의 조합은 중성자비 단독 운행보다 CP 위반 및 질량 계층에 대한 민감도를 향상시킨다.
• 본 연구는 다이아몬드급 프로톤 소스가 기술적으로 실현 가능하고 비용 효율적이며 시기적절한 솔루션임을 확인하며, 중성자비 팩토리나 베타빔의 실현 이전에 장거리 기울기 중성자비 물리학을 발전시킬 수 있음을 시사한다.