[논문 리뷰] Deep Underground Neutrino Experiment (DUNE), Far Detector Technical Design Report, Volume II: DUNE Physics

B. Abi, R. Acciarri외 964명|arXiv (Cornell University)|2020. 02. 07.

Neutrino Physics Research인용 수 78

한 줄 요약

DUNE의 포괄적 아키텍처 및 DUNE의 원거리 검출기 물리 프로그램에 대한 민감도 평가로, 진동 물리학 구성, 핵자 붕괴, 저에너지 중성미자 및 표준모형 초과 탐색, 시뮬레이션, 재구성 및 보정 프레임워크를 상세히 기술한다.

ABSTRACT

The preponderance of matter over antimatter in the early universe, the dynamics of the supernovae that produced the heavy elements necessary for life, and whether protons eventually decay -- these mysteries at the forefront of particle physics and astrophysics are key to understanding the early evolution of our universe, its current state, and its eventual fate. DUNE is an international world-class experiment dedicated to addressing these questions as it searches for leptonic charge-parity symmetry violation, stands ready to capture supernova neutrino bursts, and seeks to observe nucleon decay as a signature of a grand unified theory underlying the standard model. The DUNE far detector technical design report (TDR) describes the DUNE physics program and the technical designs of the single- and dual-phase DUNE liquid argon TPC far detector modules. Volume II of this TDR, DUNE Physics, describes the array of identified scientific opportunities and key goals. Crucially, we also report our best current understanding of the capability of DUNE to realize these goals, along with the detailed arguments and investigations on which this understanding is based. This TDR volume documents the scientific basis underlying the conception and design of the LBNF/DUNE experimental configurations. As a result, the description of DUNE's experimental capabilities constitutes the bulk of the document. Key linkages between requirements for successful execution of the physics program and primary specifications of the experimental configurations are drawn and summarized. This document also serves a wider purpose as a statement on the scientific potential of DUNE as a central component within a global program of frontier theoretical and experimental particle physics research. Thus, the presentation also aims to serve as a resource for the particle physics community at large.

연구 동기 및 목표

• DUNE 프로그램의 과학 목표를 고무하고 기술하며, 원거리 검출기가 뉴트리노 물리학 및 관련 표준모형 초과 탐색을 진전시키는 역할을 명확히 한다.
• 물리 목표를 달성하는 데 필요한 검출기 설계 요건, 보정 전략 및 시뮬레이션/재구성 파이프라인을 정의한다.
• 중성미자 진동, CP 위반, 질량 계층, 핵자 붕괴, 초신성 중성미자 및 기타 표준모형 확장 현상에 대한 DUNE의 민감도에 대한 구조화된 평가를 제공한다.
• 성능을 검증하는 ProtoDUNE 프로토타입과 함께 단일상 및 이중상 기술을 포함한 근거리 및 원거리 검출기 콘셉트를 개요한다.

제안 방법

• 중성미자 플럭스 모델링, 상호작용 생성기, 검출기 시뮬레이션 및 데이터 취득 가정에 대한 몬테카를로 프레임워크를 설명한다.
• TPC 신호 처리, 히트/스페이스 포인트 식별, 클러스터링, 패턴 인식 및 칼로리메트릭/입자 식별을 포함한 원거리 검출기 이벤트 재구성 체인을 상세히 설명한다.
• Pandora와 ProtoDUNE-SP를 검증 기반으로 사용한 재구성 성능 평가를 설명한다.
• 물리 기반 요구사항, 보정 소스 및 39Ar 붕괴를 보정 구성 요소로 포함한 계층화 계획을 포함한 보정 전략을 제시한다.
• 감도 방법론과 DUNE 분석 프레임워크를 포함한 DUNE 분석 프레임워크의 개요를 제시한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 중성미자 분야에서 CP 위반 및 중성미자 질량 계층에 대한 DUNE의 기대 민감도는 얼마인가?
• RQ2 근거리 검출기 측정은 시스템atics를 어떻게 제한하고 진동 매개변수의 정밀도를 개선하는가?
• RQ3 과학 목표를 달성하는 데 필요한 검출기 성능 요건과 보정 전략은 무엇인가?
• RQ4 핵자 붕괴, 불활성 중성미자 및 기타 표준모형 초월 현상에 대한 DUNE의 도달 범위는 무엇인가?
• RQ5 원을 기반으로 하는 빔 프로그램을 보완하는 원자로 및 대기 중성미자와 초신성 중성미자가 어떻게 보완되는가?

주요 결과

• 민감도 연구는 기술된 원거리 검출기 구성으로 CP 위반 및 질량 순서화를 탐색하는 DUNE의 능력을 시사한다.
• CVN 기반 이벤트 선택 및 ProtoDUNE 검증 등을 포함한 포괄적 시뮬레이션 및 재구성 프레임워크가 확립되었다.
• 지배적인 시스템이 이슈를 제어하기 위한 상세한 보정 계획 및 에너지 스케일 관리가 제안되었다.
• 핵자 붕괴 및 기타 표준모형 초월 탐색이 물리 프로그램에 통합되고 검출기 요구사항이 요약되어 있다.
• 문서는 근거리 검출기 데이터가 플럭스, 교차단면 및 검출기 관련 불확실성을 어떻게 제약하여 진동 측정치를 개선하는지에 대해 설명한다.