[논문 리뷰] A new search for anomalous neutrino oscillations at the CERN-PS

B. Baibussinov, E. Calligarich외 6명|ArXiv.org|2009. 09. 02.

Neutrino Physics Research참고 문헌 6인용 수 10

한 줄 요약

이 논문은 CERN-PS에서 127 m(근접) 및 850 m(원거리)에 두 대의 동일한 액체 헬륨 시간 영역 촬영실(LAr-TPC)을 사용하여, 특히 LSND 이상 현상에 대한 이국적인 중성미자 진동을 탐색하기 위한 새로운 실험을 제안한다. 600톤의 유효 질량과 두 해 동안 약 10^6개의 충전형인 중성미자 사건을 기대함으로써, 고해상도 영상 및 뛰어난 전자-파이제로 입자 분리 능력 덕분에 중성미자 반응 배경을 완전히 제거할 수 있으며, 체계적 오차가 최소한인 조건에서 LSND 신호에 대한 결정적인 검증이 가능하다.

ABSTRACT

The LSND experiment has observed a 3.8 sigma excess of anti-nu_e events from an anti-nu_mu beam coming from pions at rest. If confirmed, the LSND anomaly would imply new physics beyond the standard model, presumably in the form of some additional sterile neutrinos. The MiniBooNE experiment at FNAL-Booster has further searched for the LSND anomaly. Above 475 MeV, the nu_e result is excluding the LSND anomaly to about 1.6 sigma but it introduces an unexplained, new 3.0 sigma anomaly at lower energies, down to 200 MeV. The nu_e data have so far an insufficient statistics to be conclusive with LSND's anti-nu_e. The present proposal at the CERN-PS is based on two strictly identical LAr-TPC detectors in the near and far positions, respectively at 127 and 850 m from the neutrino (or antineutrino) target and focussing horn, observing the electron-neutrino signal. This project will benefit from the already developed technology of ICARUS T600, well tested on surface in Pavia, without the need of any major R&D activity and without the added problems of an underground experiment (CNGS-2). The superior quality of the Liquid Argon imaging TPC and its unique electron - pi-zero discrimination allow full rejection of the NC background, without efficiency loss for electron neutrino detection. In two years of exposure, the far detector mass of 600 tons and a reasonable utilization of the CERN-PS with the refurbished previous TT7 beam line will allow to collect about 10^6 charged current events, largely adequate to settle definitely the LSND anomaly.

연구 동기 및 목표

• 표준모형을 초월한 이국적인 반중성미자 진동을 암시하는 LSND 이상 현상을 결정적으로 검증하기 위해.
• 낮은 에너지에서의 LSND(3.8σ 초과)와 MiniBooNE(200–475 MeV 범위에서 3.0σ 이상) 결과 간의 모순을 고정밀 측정을 통해 해결하기 위해.
• 액체 헬륨 시간 영역 촬영실(LAr-TPC)을 사용하여 전자-파이제로 입자 분리 능력과 배경 제거 능력을 향상시키기 위해.
• CERN-PS 빔으로부터 127 m와 850 m 거리에 위치한 근접-원거리 검출기 측정을 수행하여, 높은 민감도로 중성미자 진동을 탐색하기 위해.
• 기존의 ICARUS T600 기술을 활용하여 신규 R&D가 필요 없고, 지하 설치와 관련된 위험을 최소화하기 위해.

제안 방법

• CERN-PS의 중성미자 목표 및 집중 허브에서 127 m(근접) 및 850 m(원거리) 거리에 두 대의 동일한 LAr-TPC 검출기를 설치한다.
• 이미 파비아에서 표면 테스트를 통해 검증된 잘 알려진 ICARUS T600 기술을 활용하여 신뢰성 확보 및 개발 위험 감소를 도모한다.
• LAr-TPC의 높은 공간 해상도와 에너지 해상도를 활용하여 전자 중성미자 사건과 배경(특히 중성미자 반응)을 구분한다.
• 정밀한 전자-파이제로 입자 분리 능력을 적용하여 중성미자 반응 배경을 완전히 제거하면서도 전자 중성미자 탐지 효율을 유지한다.
• 재건된 TT7 빔 라인을 사용하여 안정적이고 정밀하게 특성화된 중성미자 빔을 확보한다.
• 두 해 동안의 노출로 원거리 검출기의 유효 질량 600톤에서 약 10^6개의 충전형인 중성미자 사건을 수집한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 LSND 이상 현상(반중성미자 전자 사건 수가 3.8σ 초과로 관측됨)이 CERN-PS에서 새로운 실험을 통해 더 정밀하게 확인되거나 배제될 수 있는가?
• RQ2 MiniBooNE 실험에서 낮은 에너지(200–475 MeV) 범위에서 관측된 3.0σ 이상의 설명되지 않은 이상 현상은 실제 신호인지 통계적 변동인지 여부는?
• RQ3 LAr-TPC 기술이 전자 중성미자 탐지 효율을 손상시키지 않으면서도 중성미자 반응 배경을 완전히 제거할 수 있는가?
• RQ4 LSND 신호는 표준모형의 세 가지 활성 중성미자 외에 존재할 수 있는 스테일러 중성미자 존재와 일치하는가?
• RQ5 850 m 거리에 600톤의 유효 질량을 가진 근접-원거리 검출기 구성이 LSND와 MiniBooNE 결과 간의 갈등을 해결할 수 있는가?

주요 결과

• 제안된 실험은 원거리 검출기의 유효 질량 600톤으로 두 해 동안 약 10^6개의 충전형인 중성미자 사건을 수집할 것으로 기대된다.
• LAr-TPC 기술 덕분에 뛰어난 전자-파이제로 입자 분리 능력으로 인해 중성미자 반응 배경을 완전히 제거할 수 있으며, 전자 중성미자 탐지 효율에 손실이 없어진다.
• 기존의 ICARUS T600 기술을 활용함으로써 신규 R&D가 필요 없고, 지하 설치의 어려움을 피할 수 있다.
• 실험이 높은 통계적 유의성과 최소한의 체계적 오차로 LSND 이상 현상을 결정적으로 해결하도록 설계되어 있다.
• 127 m와 850 m 거리에 위치한 근접-원거리 검출기 구성은 특히 단거리 기반 이상 현상에 대해 최적의 민감도를 제공한다.
• 실험은 재건된 CERN-PS 빔과 TT7 라인을 활용하여 안정적이고 정밀하게 특성화된 중성미자 원천을 확보한다.