[논문 리뷰] A Long Baseline Neutrino Oscillation Experiment Using J-PARC Neutrino Beam and Hyper-Kamiokande

Hyper-Kamiokande Working Group, K. Abe외 246명|Lancaster EPrints (Lancaster University)|2014. 12. 15.

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한 줄 요약

이 논문은 J-PARC 중성미자 비드와 하이퍼카미오칸데 검출기를 사용한 장거리 기반 중성미자 진동 실험을 제안하여 CP 위반 위상 δCP를 정밀하게 측정하고 중성미자 질량 계단을 규명한다. 7.5 MW × 10^7 초의 비드 노출 조건에서, δCP 값의 76%에 대해 3σ 이상의 감도를 확보하며, sin²θ₂₃를 1σ 불확도 0.015( sin²θ₂₃ = 0.5일 경우) 및 0.006( sin²θ₂₃ = 0.45일 경우)로 측정한다.

ABSTRACT

Hyper-Kamiokande will be a next generation underground water Cherenkov detector with a total (fiducial) mass of 0.99 (0.56) million metric tons, approximately 20 (25) times larger than that of Super-Kamiokande. One of the main goals of Hyper-Kamiokande is the study of $CP$ asymmetry in the lepton sector using accelerator neutrino and anti-neutrino beams. In this document, the physics potential of a long baseline neutrino experiment using the Hyper-Kamiokande detector and a neutrino beam from the J-PARC proton synchrotron is presented. The analysis has been updated from the previous Letter of Intent [K. Abe et al., arXiv:1109.3262 [hep-ex]], based on the experience gained from the ongoing T2K experiment. With a total exposure of 7.5 MW $ imes$ 10$^7$ sec integrated proton beam power (corresponding to $1.56 imes10^{22}$ protons on target with a 30 GeV proton beam) to a $2.5$-degree off-axis neutrino beam produced by the J-PARC proton synchrotron, it is expected that the $CP$ phase $δ_{CP}$ can be determined to better than 19 degrees for all possible values of $δ_{CP}$, and $CP$ violation can be established with a statistical significance of more than $3\,σ$ ($5\,σ$) for $76%$ ($58%$) of the $δ_{CP}$ parameter space.

연구 동기 및 목표

• 장거리 기반 중성미자 진동 실험을 통해 렙톤 영역의 CP 위반 위상 δCP를 고정밀도로 측정하기 위해.
• 하이퍼카미오칸데가 수집한 대기 중성미자 데이터를 사용하여 중성미자 질량 계단을 규명하기 위해.
• 가속기 및 대기 중성미자 데이터를 모두 활용하여 혼합 각도 sin²θ₂₃를 고정밀도로 측정하기 위해.
• 단일 검출기에서 가속기 및 대기 중성미자 측정을 조합함으로써 향상된 물리적 감도를 입증하기 위해.

제안 방법

• 중성미자 상호작용 및 재구성 모델링을 위해 J-PARC 중성미자 비드라인과 하이퍼카미오칸데 검출기의 전체 시뮬레이션을 사용한다.
• δCP 및 θ₂₃를 탐색하기 위해 νₑ 등장 및 νₘu 소멸 채널을 사용한다.
• 10년 노출 동안의 대기 중성미자 데이터를 분석하여 질량 계단 및 θ₂₃ 8분기 감도를 평가한다.
• 다른 δCP, 질량 계단 및 θ₂₃ 값에 대한 가설을 비교하기 위해 Δχ² 통계를 사용하여 감도를 평가한다.
• 가속기 및 대기 중성미자 데이터의 조합은 Δχ² 값의 합을 통해 감도 향상을 평가하기 위해 모델링된다.
• 감도 연구에서는 δCP의 불확도를 고려하고 정상 질량 계단을 가정하지만, 계단이 알려져 있지 않은 경우도 평가한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 J-PARC 중성미자 비드를 사용할 때 하이퍼카미오칸데는 δCP 위반 위상에 대해 어떤 감도를 보이는가?
• RQ2 하이퍼카미오칸데는 대기 중성미자 데이터를 사용하여 중성미자 질량 계단을 규명할 수 있는가?
• RQ3 가속기 및 대기 중성미자 데이터를 병합하여 하이퍼카미오칸데는 sin²θ₂₃를 얼마나 정밀하게 측정할 수 있는가?
• RQ4 가속기 및 대기 중성미자 측정의 조합은 δCP 및 질량 계단의 오진 해를 제거할 수 있는가?
• RQ5 대기 중성미자 데이터만으로 θ₂₃ 8분기 감도는 어떠한가?

주요 결과

• 7.5 MW × 10^7 초의 비드 노출 조건에서 하이퍼카미오칸데는 모든 δCP 값에 대해 δCP를 19° 이내로 더 정밀하게 측정할 수 있다.
• 레프톤 영역의 CP 위반은 δCP 값의 76%에 대해 3σ 이상의 유의성으로 관측 가능하며, 58%의 값에 대해 5σ 이상의 유의성로 관측 가능하다.
• sin²θ₂₃에 대한 예상 1σ 불확도는 sin²θ₂₃ = 0.5일 경우 0.015, sin²θ₂₃ = 0.45일 경우 0.006이다.
• 대기 중성미자 데이터만으로 현재 허용되는 θ₂₃ 값 전역에서 질량 계단에 대해 >3σ 감도를 확보한다.
• 비최대 θ₂₃일 경우, 대기 중성미자 데이터는 sin²θ₂₃ < 0.46 또는 sin²θ₂₃ > 0.56이면 3σ 수준에서 8분기를 식별할 수 있다.
• 가속기 및 대기 중성미자 데이터의 조합은 δCP의 가짜 해를 제거하고, 단독으로 각 채널이 달성할 수 있는 것보다 더 높은 정밀도로 δCP 측정을 향상시킨다.