[논문 리뷰] Ionization cooled ultra pure beta-beams for long distance neu-e to neu-mu transitions, theta13 phase and CP-violation

Carlo Rubbia|ArXiv.org|2006. 09. 22.

Neutrino Physics Research인용 수 15

한 줄 요약

이 논문은 초순수 전자 뉴트리노 비임을 위한 장거리 기울기 실험을 위해, 밀도 높은 고체 고리에 저장된 완전히 이온화된 B-8 이온을 사용하는 새로운 이온화 냉각형 베타빔 개념을 제안한다. 이는 50–100 톤의 액체 알루미늄 TPC 검출기와 조합될 경우, sin²(2θ₁₃)에 대한 배경 없는 감도를 6.0 × 10⁻⁴까지 낮출 수 있음을 입증한다. 이는 현재의 한계보다 크게 향상되어 CP 위반 및 θ₁₃ 위상 측정의 정밀도를 가능하게 한다.

ABSTRACT

The key process is the observation of tiny oscillation mixing between numu and nue related to so far unknown theta13 amplitude, at distances corresponding to an invariant neutrino flight path around about 2.0 MeV/km. Zucchelli [12] has proposed the production of very pure neue beams (beta beams), in which relativistic radio-nuclides are stored in a high energy storage ring and decay in a long straight section pointing toward the neutrino detector far away. This method produces ultra pure anti-neue (He-6) and neue (Ne-18) with a negligible numu contamination (10-5). A novel kind of beta element production has been recently proposed [15] in which slow (v about 0.1 c) fully ionized ions are stored in a very small storage ring. Products like the isomeric doublet Li-7(d,p) Li-8 and Li-6(He3,n) B-8 are stopped in some foils few micron thick, from which they quickly diffuse as neutral atoms. The improvements are shown to be considerable. An ion source, a chain of several accelerators in cascade and a high energy storage/decay ring can produce a B-8 induced nue spectrum which has as much as 7.7 times higher energy than the one from He-6 induced anti-nue for a given magnetic rigidity of the storage ring. At a given neutrino energy, the CC cross sections for nue are about 3 times larger than the ones of anti-nue while the NC/CC inelastic pion background faking muons is about 3 times smaller. An optimal neu-e source might be fully ionized B-8 from the 120 GeV Main Energy Injector at FNAL, followed by a decay storage ring and a neutrino fly path of about 700-800 km. As detector we consider a LAr TPC with a fiducial mass of 50 to 100 kton. Such a technology should permit to detect a background free signal for sin2(2theta13) as small as about 6.0 x 10-4. By comparison, the present experimental limit is < 0.14.

연구 동기 및 목표

• 매우 높은 순도의 장거리 뉴트리노 비임원을 개발하여, 미세한 θ₁₃ 혼합 역수를 고감도로 탐지할 수 있도록 하는 것.
• 기존의 베타빔 설계의 한계를 극복하여 뉴트리노 비임 오염을 줄이고 신호 대 잡음 비율을 향상시키는 것.
• 작은 sin²(2θ₁₃) 값에 대한 감도를 확보하여 뉴트리노 영역에서의 CP 위반을 정밀하게 측정할 수 있도록 하는 것.
• 향상된 뉴트리노 유량과 에너지 스펙트럼을 위해, 이온화 냉각 및 완전히 이온화된 B-8 이온을 밀도 높은 저장 고리에 이용할 수 있는지 탐색하는 것.
• 700–800 km의 기준선과 50–100 톤의 액체 알루미늄 TPC 검출기를 사용할 경우, 0.1% 미만의 진동 신호를 배경 없이 탐지할 수 있음을 입증하는 것.

제안 방법

• 고에너지 고밀도 저장 고리에 저장된 완전히 이온화된 B-8 이온을 이용해 β⁻ 붕괴를 통해 순수한 전자 뉴트리노 비임을 생성한다.
• 이온화 냉각을 활용하여 이온 비임을 고착하고 집중시켜, 에미턴스를 감소시키고 고강도, 낮은 산란 각도의 뉴트리노 비임을 가능하게 한다.
• 고리의 긴 직선 구간에서 저장된 B-8 이온의 붕괴를 이용해 700–800 km 기준선에서 방향성 있는 뉴트리노 비임을 생성한다.
• νₑ의 충격-전하단면적은 반-νₑ보다 약 3배 크며, 중성전하 비탄성 π 보존은 약 3배 작기 때문에 신호의 가시성을 향상시킨다.
• 가속기의 연쇄적 배치와 고에너지 저장 고리를 이용해, 같은 자기 강도 조건에서 He-6 기반 베타빔보다 최대 7.7배 높은 뉴트리노 에너지 스펙트럼을 확보한다.
• 50–100 톤의 피드유비션 질량을 가진 액체 알루미늄 시간 투영 챔버(LAr TPC)를 도입하여, νₑ → νμ 전이의 거의 배경 없는 탐지를 실현한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 완전히 이온화된 B-8 베타빔 원천이 sin²(2θ₁₃) < 0.14 조건에서 νₑ → νμ 진동을 탐지할 수 있도록 충분한 순도와 강도를 확보할 수 있는가?
• RQ2 이온화 냉각과 밀도 높은 저장 고리를 사용할 경우, 기존 설계 대비 베타빔 뉴트리노 원천의 성능이 어떻게 향상되는가?
• RQ3 이 새로운 베타빔 구성과 배경 없는 LAr TPC 검출기를 사용할 경우, sin²(2θ₁₃)의 최소 탐지 가능한 값은 얼마인가?
• RQ4 B-8 기반 뉴트리노 스펙트럼은 에너지, 유량, 신호 대 잡음 비율 측면에서 He-6 기반 스펙트럼과 비교해 어떻게 다른가?
• RQ5 이 설정을 통해 뉴트리노 혼합 행렬의 CP 위반 위상 측정이 고정밀도로 가능해지는가?

주요 결과

• 제안된 B-8 베타빔 원천은 같은 자기 강도 조건에서 He-6 기반 원천보다 최대 7.7배 높은 뉴트리노 에너지 스펙트럼을 생성한다.
• νₑ의 충격-전하단면적은 반-νₑ보다 약 3배 크며, 이는 신호 탐지 효율을 향상시킨다.
• 중성전하 비탄성 π 보존은 뉴트리노 신호를 위장할 수 있는 잡음으로 작용하며, νₑ의 경우 반-νₑ보다 약 3배 작다. 이는 임의의 신호를 줄이는 데 기여한다.
• 50–100 톤의 액체 알루미늄 TPC 검출기를 사용할 경우, sin²(2θ₁₃)가 6.0 × 10⁻⁴ 이하일 때도 배경 없는 νₑ → νμ 전이 탐지를 실현할 수 있다.
• 현재 실험적 한계는 sin²(2θ₁₃) < 0.14 이며, 이 설정은 이에 비해 감도를 한 단계 이상 향상시킨다.
• Fermilab의 120 GeV 메인 인젝터를 기반으로, 붕괴 저장 고리와 700–800 km 기준선을 포함하는 최적의 구성이 고정밀 뉴트리노 진동 측정을 위한 실현 가능한 길로 확인되었다.