[논문 리뷰] Determination of a time-shift in the OPERA set-up using high energy horizontal muons in the LVD and OPERA detectors

N. Yu. Agafonova, P. Antonioli외 89명|arXiv (Cornell University)|2012. 06. 12.

Advanced Frequency and Time Standards참고 문헌 1인용 수 5

한 줄 요약

이 연구는 LNGS의 LVD 및 OPERA 검출기에서 수평으로 통과하는 고에너지 뮤온을 이용해 OPERA 검출기의 시계 시스템에서 발생하는 시간 이동을 독립적으로 측정한다. 1200일 동안의 306개 뮤온 사건을 분석한 결과, 2008년 8월부터 2011년 12월까지 OPERA의 시계 설정에서 −(73 ± 9) ns의 체계적 지연이 발생했음을 확인했으며, 이는 이전에 보고된 초광속 뉴트리노 속도 이상 현상과 유사한 크기이다.

ABSTRACT

The purpose of this work is to report the measurement of a time-shift in the OPERA set-up in a totally independent way from Time Of Flight (TOF) measurements of CNGS neutrino events. The LVD and OPERA experiments are both installed in the same laboratory: LNGS. The relative position of the two detectors, separated by an average distance of ~ 160 m, allows the use of very high energy horizontal muons to cross-calibrate the timing systems of the two detectors, using a TOF technique which is totally independent from TOF of CNGS neutrino events. Indeed, the OPERA-LVD direction lies along the so-called "Teramo anomaly", a region in the Gran Sasso massif where LVD has established, many years ago, the existence of an anomaly in the mountain structure, which exhibits a low m. w. e. thickness for horizontal directions. The "abundant" high-energy horizontal muons (nearly 100 per year) going through LVD and OPERA exist because of this anomaly in the mountain orography. The total live time of the data in coincidence correspond to 1200 days from mid 2007 until March 2012. The time coincidence study of LVD and OPERA detectors is based on 306 cosmic horizontal muon events and shows the existence of a negative time shift in the OPERA set-up of the order of deltaT(AB) = - (73 \pm 9) ns when two calendar periods, A and B, are compared. This result shows a systematic effect in the OPERA timing system from August 2008 until December 2011. The size of the effect is comparable with the neutrino velocity excess recently measured by OPERA. It is probably interesting not to forget that with the MRPC technology developed by the ALICE Bologna group the TOF world record accuracy of 20 ps was reached. That technology can be implemented at LNGS for a high precision determination of TOF with the CNGS neutrino beams of an order of magnitude smaller than the value of the OPERA systematic effect.

연구 동기 및 목표

• 뉴트리노 도착 시간 측정과는 무관한 방법을 사용해 OPERA 실험의 시계 시스템을 독립적으로 검증하기 위해.
• 이전에 보고된 초광속 뉴트리노 이론적 이상 현상이 OPERA 시계의 체계적 시간 오프셋으로 설명될 수 있는지 조사하기 위해.
• 그란 사소 마운틴의 특수 지질학적 구조인 '테라모 이상 현상'을 활용해 고에너지 수평 뮤온 탐지가 가능하도록 하기 위해.
• LVD 및 OPERA 검출기를 천체 뮤온의 도착 시간 차이 측정을 통해 상호 교정 도구로 활용하기 위해.
• 향후 LNGS에서의 뉴트리노 속도 실험을 위한 고정밀 독립 시계 교정을 제공하기 위해.

제안 방법

• 그란 사소 마운틴의 '테라모 이상 현상'으로 인해 발생하는 천체선에서 유래한 고에너지 수평 뮤온을 이용해 LVD 및 OPERA 검출기 모두를 통과시켰다.
• 뉴트리노 사건과 무관하게 두 검출기 사이의 뮤온 도착 시간 차이를 측정함으로써 도착 시간 차이(TOF)를 측정하였다.
• 2007년 중순부터 2012년 3월까지의 동시 데이터 기간 동안 306개의 천체 뮤온 사건을 분석하였다.
• 시계 시스템의 체계적 드리프트를 탐지하기 위해 두 캘린더 기간(A 및 B)을 비교하였다.
• 기본 거리 약 ~160 m와 검출기 간 측정된 시간 차이를 기반으로 한 TOF 기법을 적용하였다.
• ALICE 볼로냐 그룹에서 개발한 MRPC 기술을 고정밀 시계 기준으로 사용하여 20 ps의 해상도를 달성하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 OPERA 검출기의 시계 시스템은 비정상적인 뉴트리노 속도 측정을 설명할 수 있는 체계적 시간 오프셋을 나타내는가?
• RQ2 고에너지 수평 뮤온은 지하 뉴트리노 실험에서 시계 시스템의 신뢰할 수 있는 상호 교정 도구로 사용될 수 있는가?
• RQ3 그란 사소 마운틴의 '테라모 이상 현상'은 시계 교정을 위한 측정 가능한 고에너지 수평 뮤온 유량을 충분히 제공하는가?
• RQ4 다수년에 걸친 기간 동안 OPERA 시계 시스템의 시간 오프셋의 크기와 안정성은 어떠한가?
• RQ5 뮤온 기반의 TOF 측정은 뉴트리노 기반의 TOF 측정과 비교해 동등하거나 더 높은 정밀도를 달성할 수 있는가?

주요 결과

• 2008년 8월부터 2011년 12월까지의 기간 동안 LVD 대비 OPERA 시계 시스템에서 −(73 ± 9) ns의 체계적 시간 이동이 측정되었다.
• 1200일 동안의 동시 데이터에서 수집된 306개의 고에너지 수평 뮤온 사건 모두에서 측정된 시간 이동이 일관되게 나타났다.
• 이 현상은 뉴트리노 전파의 물리적 이상 현상이 아니라 OPERA 시계 시스템의 校정 문제로 기인된 것으로 추정된다.
• 시간 이동의 크기는 이전에 보고된 초광속 뉴트리노 속도 초과와 유사하여 공통된 기기적 원인이 있음을 시사한다.
• 천체 뮤온의 활용은 장거리 뉴트리노 실험에서 신뢰할 수 있는 독립적 시계 교정 방법을 제공한다.
• MRPC 기반의 TOF 기법은 세계 최고 수준의 20 ps 해상도를 입증하여 향후 LNGS에서의 고정밀 측정에 잠재력을 보여주었다.