[논문 리뷰] BEAMING NEUTRINO AND ANTINEUTRINOS ACROSS THE EARTH TO FOCUS MUON-TAU FLAVOR MIXING AND TO DISENTANGLE CPT VIOLATION PUZZLE

Daniele Fargion, P. Desiati외 1명|arXiv (Cornell University)|2010. 12. 15.

Neutrino Physics Research참고 문헌 4인용 수 1

한 줄 요약

이 논문은 남극의 DeepCore에 도달하는 지구를 관통하는 장거리 기준의 중성자-반중성자 비례 실험을 제안하며, 뮤온에서 타우로의 플레이어 전이를 통해 CPT 위반을 검증하고자 한다. CPT가 위반될 경우 35 GeV 이상에서 반중성자 소멸이 14% 감소할 것으로 예측되며, 이는 1년 간의 데이터 수집에서 약 3.5σ 효과에 해당하여 표준모형을 초월한 새로운 물리학을 민감하게 탐지할 수 있다.

ABSTRACT

A new result from the (MINOS Collaboration 2010) seems to hint at a different anti-neutrino mass splitting and different mixing angle with respect to the neutrino. This result has deep consequences because it could indicate CPT theorem violation and/or new anti-neutrino interaction physics (Shinji et al. 2010). We have considered the effect that this novel (i.e. CPT-violated) neutrino oscillation should have in the atmospheric neutrino flux in DeepCore. Above E� > 35 GeV a fraction of ¯µ ! µ + would be reduced almost 14% with respect to the standard CPT-conserved case, equivalent to a nearly 3.5� effect for one year of data collected by DeepCore. In order to significantly increase the discovery potential, we propose a future long baseline experiment with a beam of �µ and ¯ �µ through the Earth in the direction of DeepCore at the South Pole, to test their disappearance or (for CPT violation) the ¯ �µ appearance at the longest distances, compatible with present sources and tuned to DeepCore minimal detectable energies. Such an experiment will measure �� and ¯ �� appearance as ��

연구 동기 및 목표

• 지구를 관통하는 장거리 기준의 뮤온 중성자 및 반중성자 비례를 통해 중성자 진동에서 CPT 위반을 검증한다.
• 최근 MINOS 결과에서 제기된 중성자와 반중성자의 질량 분리 및 혼합 각도가 다를 수 있다는 것을 고려한다.
• 남극의 DeepCore 검출기에서 감지 가능한 최소 에너지에 맞춘 비례를 통해 새로운 물리학의 발견 가능성을 높인다.
• 중성자 및 반중성자 소멸을 측정할 뿐 아니라, 특히 CPT 위반의 서명으로서 반중성자 등장(¯μ → μ)을 측정한다.
• 정밀한 장거리 기준 측정을 통해 CPT 위반 진동과 새로운 반중성자 상호작용 물리학을 구별한다.

제안 방법

• 남극의 DeepCore 검출기에 도달하는 지구를 관통하는 뮤온 중성자 및 반중성자 비례를 제안한다.
• 현재 가속기 자원과 호환되는 기준 거리와 DeepCore의 감지 가능한 최소 에너지 임계값에 최적화된 거리를 사용한다.
• 지구를 관통한 후의 뮤온 중성자 및 반중성자 예상 플럭스를 분석하며, 주로 플레이어 전이에 초점을 맞춘다.
• 표준 CPT 보존 사례와 비교하여 CPT 위반 시나리오에서 반중성자 등장(¯μ → μ) 빈도의 예상 감소를 계산한다.
• CPT 위반 신호의 통계적 유의성을 평가하여, 반중성자 소멸이 14% 감소할 경우 1년 간의 데이터에서 약 3.5σ 효과가 나타남을 발견한다.
• 예측된 CPT 위반 신호를 표준 모형 예측과 비교하여 발견 가능성을 평가한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 지구를 관통하는 장거리 기준의 뮤온 중성자 및 반중성자 비례는 증가된 반중성자 등장(¯μ → μ)을 통해 CPT 위반을 드러낼 수 있는가?
• RQ2 35 GeV 이상의 에너지에서 DeepCore는 CPT 위반 중성자 진동에 대해 어떤 감도를 가지는가?
• RQ3 예상되는 반중성자 소멸 감소(14%)는 표준 CPT 보존 사례와 비교해 통계적 유의성 측면에서 어떻게 평가되는가?
• RQ4 이 실험은 CPT 위반과 새로운 반중성자 상호작용 물리학을 분리할 수 있는가?
• RQ5 장거리 기준 중성자 실험에서 CPT 위반의 발견 가능성을 극대화하는 기준 거리 및 에너지 구성은 무엇인가?

주요 결과

• CPT 위반 시나리오는 35 GeV 이상에서 표준 CPT 보존 사례에 비해 반중성자 소멸(¯μ → μ) 빈도가 14% 감소할 것으로 예측된다.
• 이 14% 감소는 DeepCore에서 1년 간의 데이터 수집 시 약 3.5σ 효과에 해당하여 매우 민감한 탐지 수단이 된다.
• 제안된 실험은 DeepCore의 감지 가능한 최소 에너지에 최적화되어 있어 장거리 기준 CPT 위반 효과에 대한 감도를 극대화한다.
• 중성자 및 반중성자 소멸과 등장 측정을 통해 CPT 위반과 새로운 반중성자 상호작용 물리학을 구별할 수 있다.
• 이 실험은 MINOS(2010)에서 보고한 이상 현상(중성자와 반중성자의 질량 분리 및 혼합 각도가 다를 수 있음)을 검증하기 위해 설계되어 있다.
• 예측된 신호는 강건하며 기존 가속기 자원으로도 측정 가능하므로, 기본 대칭성을 시험하기 위한 실현 가능한 다음 단계이다.