[논문 리뷰] A Proposal for a Three Detector Short-Baseline Neutrino Oscillation Program in the Fermilab Booster Neutrino Beam

R. Acciarri, C. Adams외 222명|arXiv (Cornell University)|2015. 03. 05.

Neutrino Physics Research참고 문헌 108인용 수 307

한 줄 요약

이 논문은 페르미랩의 브로우저 뉴트리노 비ーム에서 액체 헬륨 시간 영역 챔버(LAr-TPCs)를 사용한 세 개의 검출기로 구성된 단거리 기반 뉴트리노 진동 프로그램을 제안한다. 이는 MicroBooNE, LAr1-ND, ICARUS-T600를 포함한다. 프로그램은 뉴트리노 진동 데이터의 이례적 현상들을 해결하고, 출현 및 소멸 채널 모두를 통해 eV 스케일의 비활성 뉴트리노에 대해 현재까지 가장 민감한 탐색을 수행하며, 향후 장거리 기반 프로그램을 위한 LAr-TPC 기술을 발전시키는 것을 목표로 한다.

ABSTRACT

A Short-Baseline Neutrino (SBN) physics program of three LAr-TPC detectors located along the Booster Neutrino Beam (BNB) at Fermilab is presented. This new SBN Program will deliver a rich and compelling physics opportunity, including the ability to resolve a class of experimental anomalies in neutrino physics and to perform the most sensitive search to date for sterile neutrinos at the eV mass-scale through both appearance and disappearance oscillation channels. Using data sets of 6.6e20 protons on target (P.O.T.) in the LAr1-ND and ICARUS T600 detectors plus 13.2e20 P.O.T. in the MicroBooNE detector, we estimate that a search for muon neutrino to electron neutrino appearance can be performed with ~5 sigma sensitivity for the LSND allowed (99% C.L.) parameter region. In this proposal for the SBN Program, we describe the physics analysis, the conceptual design of the LAr1-ND detector, the design and refurbishment of the T600 detector, the necessary infrastructure required to execute the program, and a possible reconfiguration of the BNB target and horn system to improve its performance for oscillation searches.

연구 동기 및 목표

• LSND 및 MiniBooNE 과잉 현상과 같은 지속적인 단거리 기반 뉴트리노 진동 이례적 현상을, 협동된 세 개의 검출기 실험을 통해 해결하기 위해.
• 액체 헬륨 뉴트리노 비임에서 출현 및 소멸 채널을 모두 활용하여 eV 스케일의 비활성 뉴트리노에 대해 현재까지 가장 민감한 탐색을 수행하기 위해.
• 브로우저 뉴트리노 비임으로부터 고정밀도로 특성화된 뉴트리노 플럭스를 사용하여 뉴트리노-안티아르곤 단면적을 정밀하게 측정하기 위해.
• 향후 장거리 기반 뉴트리노 프로그램인 LBNF를 위한 액체 헬륨 TPC 기술을 개발하고 구현하기 위해.
• 세부적인 검출기 시스템적 특성과 우주선 태그 기반 기술을 통해 우주선 기인 배경 및 '먼지' 사건 연구를 가능하게 하기 위해.

제안 방법

• 페르미랩의 브로우저 뉴트리노 비임에 위치한 세 개의 LAr-TPC 검출기—MicroBooNE(근접), LAr1-ND(신규 근접), ICARUS-T600(원거리)—를 활용한다.
• 뉴트리노 플럭스를 향상시키고 비임 집중도를 높여 신호 대 잡음 비율을 향상시키기 위해 재최적화된 호른 구성을 사용한다.
• 고전압 공급선, 전기장 격자, 자외선 레이저 기반의 드프트 필드 캘리브레이션을 포함한 고성능 TPC 읽기 시스템을 적용하여 정밀한 사건 재구성 기술을 구현한다.
• 우주선 배경을 식별하고 제거하기 위해 스컬린세이팅 트래커를 사용하는 우주선 태그 시스템(CRTS)을 통합한다.
• 실시간 데이터 처리 및 품질 모니터링에 최적화된 프론트엔드 전자기기와 DAQ 프레임워크를 활용한 이중 트리거 시스템을 적용한다.
• 뉴트리노 플럭스 및 상호작용 불확도 모델링을 정교하게 적용하며, 비임 기인 '먼지' 사건과 우주선 기인 배경을 포함한 진동 분석에 활용한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 세 개의 검출기로 구성된 LAr-TPC 구성이 단거리 기반 뉴트리노 진동에서 LSND 및 MiniBooNE 이례적 현상을 명확히 해결할 수 있는가?
• RQ2 SBN 프로그램이 νμ → νe 출현 채널과 νμ 소멸 채널 양쪽에서 eV 스케일의 비활성 뉴트리노에 대해 얼마나 민감한가?
• RQ3 정밀하게 특성화된 브로우저 뉴트리노 비임과 LAr-TPC 검출기를 사용하여 뉴트리노-안티아르곤 단면적을 얼마나 정확하게 측정할 수 있는가?
• RQ4 LAr1-ND 검출기가 이전 실험들에 비해 시스템적 오차와 배경 제거 능력을 얼마나 향상시킬 수 있는가?
• RQ5 SBN 프로그램이 LBNF/DeepInfinite 뉴트리노 프로그램의 기술적 및 과학적 기초로 기능할 수 있는가?

주요 결과

• SBN 프로그램은 Δm² ~ 1 eV²에서 νμ → νe 출현 감도를 약 1.5 × 10⁻⁴로 확보하여, 비활성 뉴트리노에 대해 현재까지 가장 민감한 탐색을 실현한다.
• LAr1-ND의 피드유얼 부피는 55.0 m³(77.0 톤의 아르곤)이며, 높이 370 cm, 길이 405 cm로 νμ 분석에 최적화되어 있다.
• ICARUS-T600의 피드유얼 부피는 νμ 분석을 위해 259.6 m³(363 톤의 아르곤)이며, 길이 1700 cm, 높이 286 cm이다.
• MicroBooNE의 νμ 분석을 위한 피드유얼 부피는 43.2 m³(60.5 톤의 아르곤)이며, 길이 942 cm, 높이 203 cm이다.
• 프로그램 일정은 2017년 초까지 검출기 구성 요소의 납품, 2017년 중반까지 설치, 2017년 말까지 안전 심사 완료를 포함한다.
• SBN 프로그램은 페르미랩에서 단거리 및 장거리 기반 뉴트리노 프로그램을 통합적으로 추진하기 위해 P5 권고사항, 특히 #12 및 #15와 일치한다.