[논문 리뷰] European Strategy for Accelerator-Based Neutrino Physics

S. Bertolucci, Alain Blondel외 23명|arXiv (Cornell University)|2012. 08. 02.

Neutrino Physics Research참고 문헌 6인용 수 17

한 줄 요약

이 논문은 CERN의 SPS 시설을 중심으로 한 유럽 연합의 가속기 기반 중성미물리학 전략을 제안하며, 장거리 기반 중성미물리 실험을 위한 전략적 접근을 제시한다. 두 가지 주요 방향을 제안한다: 핀란드의 피하살미 광산을 향한 전통적 중성미자 비임 (CN2PY), 그리고 정밀한 CP 위반 연구를 위한 10 GeV 중성미자 팩토리. 이 전략은 중성미자 진동 및 허수 중성미자 탐색과 관련된 핵심 질문을 해결하는 것을 목표로 한다.

ABSTRACT

Massive neutrinos reveal physics beyond the Standard Model, which could have deep consequences for our understanding of the Universe. Their study should therefore receive the highest level of priority in the European Strategy. The discovery and study of leptonic CP violation and precision studies of the transitions between neutrino flavours require high intensity, high precision, long baseline accelerator neutrino experiments. The community of European neutrino physicists involved in oscillation experiments is strong enough to support a major neutrino long baseline project in Europe, and has an ambitious, competitive and coherent vision to propose. Following the 2006 European Strategy for Particle Physics (ESPP) recommendations, two complementary design studies have been carried out: LAGUNA/LBNO, focused on deep underground detector sites, and EUROnu, focused on high intensity neutrino facilities. LAGUNA LBNO recommends, as first step, a conventional neutrino beam CN2PY from a CERN SPS North Area Neutrino Facility (NANF) aimed at the Pyhasalmi mine in Finland. A sterile neutrino search experiment which could also be situated in the CERN north area has been proposed (ICARUS-NESSIE) using a two detector set-up, allowing a definitive answer to the 20 year old question open by the LSND experiment. EUROnu concluded that a 10 GeV Neutrino Factory, aimed at a magnetized neutrino detector situated, also, at a baseline of around 2200 km (+-30%), would constitute the ultimate neutrino facility; it recommends that the next 5 years be devoted to the R&D, preparatory experiments and implementation study, in view of a proposal before the next ESPP update. The coherence and quality of this program calls for the continuation of neutrino beams at CERN after the CNGS, and for a high priority support from CERN and the member states to the experiments and R&D program.

연구 동기 및 목표

• 표준 모형을 초월한 물리학을 탐구하기 위해 고우선순위의 유럽 연합 중성미물리학 프로그램을 구축하기 위해.
• 장거리 기반 실험을 통해 렙톤 CP 위반과 중성미자 혼합 매개변수의 근본적 질문을 해결하기 위해.
• 중성미자 팩토리와 깊은 지하 탐지기 등을 포함한 차세대 중성미자 시설의 개발을 지원하기 위해.
• CNGS 프로그램 이후에도 CERN에서 중성미자 비임 운영을 지속적으로 지원하기 위해.
• 다음 유럽 입자물리학 전략(ESPP) 업데이트를 위한 통합적이고 경쟁력 있으며 과학적으로 탄탄한 비전을 제공하기 위해.

제안 방법

• CERN의 SPS 북부 지역 중성미자 시설(NANF)에서 출발하는 전통적 중성미자 비임(CN2PY)을 핀란드의 피하살미 광산으로 향하게 하며, 기준 거리는 약 2200 km이다.
• LSND 이상 현상의 힌트를 바탕으로, 허수 중성미자를 탐지하기 위해 CERN 북부 지역에 두 개의 탐지기(ICARUS-NESSIE)를 설치하는 것을 권고한다.
• 정밀한 중성미자 진동 측정을 위한 궁극적 시설로 10 GeV 중성미자 팩토리를 설계하는 연구를 개발한다.
• 중성미자 팩토리의 기술 개발과 실행 계획을 수립하기 위해 5년간의 연구 및 개발(R&D) 및 준비 단계를 추진할 것을 주장한다.
• 깊은 지하 탐지기 중심의 LAGUNA/LBNO와 고강도 중성미자 원천 중심의 EUROnu 두 가지 상호보완적인 설계 연구를 통합한다.
• 장기적인 프로그램 지속 가능성을 확보하기 위해 CERN과 회원국 간의 협력적 인프라 및 재정 지원의 필요성을 강조한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 장거리 기반 중성미자 진동 실험에서 렙톤 CP 위반이 관측될 수 있는가?
• RQ2 LSND 이상 신호의 본질은 무엇이며, 전용 허수 중성미자 탐색을 통해 확인되거나 배제될 수 있는가?
• RQ3 중성미자 혼합 매개변수를 최고의 정밀도로 측정하기 위해 향후 중성미자 팩토리의 최적 파rameter는 무엇인가?
• RQ4 과학적 영향력과 국제 경쟁력을 극대화하기 위해 어떻게 통합적이고 대규모의 유럽 중성미물리학 프로그램을 구성할 수 있는가?
• RQ5 다음 ESPP 업데이트까지 10 GeV 중성미자 팩토리를 실현하기 위해 필요한 인프라 및 R&D 투자는 무엇인가?

주요 결과

• CERN의 SPS에서 피하살미 광산으로 향하는 CN2PY 비임은 약 2200 km의 기준 거리를 가진 실현 가능하고 고정밀 장거리 기반 중성미자 실험을 제공한다.
• CERN 북부 지역에 위치한 ICARUS-NESSIE 두 개의 탐지기 시스템은 LSND 이상 현상에 대한 결정적인 검증을 제공할 수 있으며, 20년이 넘는 허수 중성미자 질문을 해결할 수 있다.
• 10 GeV 중성미자 팩토리는 중성미자 진동의 정밀 연구를 위한 궁극적 시설로, CP 위반에 대한 최고의 감도를 제공한다.
• EUROnu 연구는 공식 제안서를 제출하기 전에 5년간의 R&D 및 실행 계획 단계가 필수적임을 결론 내린다.
• 이 전략은 CNGS 프로그램 이후에도 CERN에서 중성미자 비임 운영을 지속적으로 지원할 것을 요구하며, 과학적 추진력과 인프라 준비 상태를 유지한다.
• LAGUNA/LBNO와 EUROnu의 통합 설계 연구는 유럽의 차세대 주요 중성미자 추진 계획을 위한 통합적이고 과학 중심의 비전을 제공한다.