[논문 리뷰] KPipe: a decisive test for muon neutrino disappearance

Spencer Axani, Gabriel Collin외 4명|arXiv (Cornell University)|2015. 10. 23.

Neutrino Physics Research참고 문헌 3인용 수 4

한 줄 요약

KPipe는 J-PARC의 MLF에 120m 길이의 단일 검출기를 설치하여, 236 MeV 단에너지 $\olde_{\mu}$를 카이온의 정지 붕괴에서 유도하는 세계에서 가장 강력한 원천을 이용해 뮤온 중성미자 소멸을 측정한다. 기준거리에 따른 충전형인터랙션 빈도를 맵핑함으로써 3년 후에 현재의 글로벌 최적합 스테일러 중성미자 파aram터에 대해 5$σ$ 감도를 확보하며, 배제 한계를 한 계급 정도 확장한다.

ABSTRACT

The short baseline neutrino oscillation experiment, KPipe, is designed to perform a sensitive search for muon neutrino disappearance in the current global fit allowed regions for sterile neutrinos. KPipe is to be located at the Material Life Science Experimental Facility at J-PARC: the world's most intense source of 236~MeV, monoenergetic muon neutrinos. By measuring the $ν_μ$ charged current interaction rate along a 120~m long, 3~m diameter detector, KPipe can map out short baseline oscillations over an L/E of 0.14 to 0.64~m/MeV. Using a long, single detector to measure the $ν_μ$ interaction rate as a function of distance largely eliminates the systematic uncertainties associated with cross sections and fluxes. In this paper, we show that KPipe can cover the current global best fit to 5$σ$ after 3 years of running.

연구 동기 및 목표

• 단기거리 비정상성과 관련된 매개변수 공간에서 뮤온 중성미자 소멸에 대한 결정적인 시험을 수행하기 위해.
• 관측된 단기거리 비정상성(예: LSND, MiniBooNE)과 null 결과(예: KARMEN, 뮤온 소멸 탐색) 사이의 갈등을 해결하기 위해.
• 단일 검출기를 사용하여 고정밀도로 $\nolde_{\mu}$ 소멸을 측정함으로써 스테일러 중성미자 가설을 시험하기 위해.

제안 방법

• J-PARC MLF 시설을 활용하여, $K^{+} \rightarrow \mu^{+} \nu_{\mu}$ 정지 붕괴에서 유도되는 236 MeV 단에너지 $\nolde_{\mu}$를 세계에서 가장 강력한 원천으로 제공한다.
• 고밀도 폴리에틸렌으로 제작된 액체 scintillator로 구성된 단일 120m 길이, 3m 지름의 검출기를 설치하며, 피드유저라이제이션과 우주선 배제를 위해 이중 광학적으로 분리된 부피를 갖춘다.
• 거리(L/E: 0.14에서 0.64 m/MeV까지)에 따른 탄소 핵에서의 $\nolde_{\mu}$ 충전형인터랙션 빈도를 측정함으로써, 단면적 및 원천 관련 시스템적 불확실성을 제거한다.
• 0.4% 광막 커버리지의 실리콘 포토멀티플라이어(SiPMs)를 사용하여 0.8m 해상도로 상호작용 위치를 재구성하고, 시간 및 공간 동시성에 의해 뮤온과 마이켈 전자를 식별한다.
• 형상 전용 $χ^{2}$ 분석을 실시하며, Neyman $χ^{2}$ 관례를 적용하여 상관관계 있는 시스템적 불확실성을 배제한다.
• Geant4 기반 RAT와 CRY를 사용하여 신호 및 배경 빈도를 시뮬레이션하며, 절단 후 75%의 신호 효율성과 27 Hz의 잔류 우주선 배경 빈도를 달성한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 단일 검출기, 장거리 실험은 스테일러 중성미자 매개변수 공간에서 $\nolde_{\mu}$ 소멸에 대해 결정적인 감도를 확보할 수 있는가?
• RQ2 KPipe는 MiniBooNE와 SciBooNE에 비해 스테일러 중성미자 혼합에 대한 배제 영역을 한 계급 정도 확장할 수 있는가?
• RQ3 3년간 운용 후 KPipe는 현재의 글로벌 최적합 파aram터에 대해 $\nolde_{\mu}$ 소멸에 대해 5$σ$의 정밀도로 측정할 수 있는가?
• RQ4 이 설정에서 뮤온 중성미자 소멸이 관측되지 않는다는 사실은 LSND 및 MiniBooNE 비정상성을 설명하는 모델을 배제하거나 제약하는가?

주요 결과

• 3년간 운용 후 KPipe는 $\nolde m^{2}_{41} = 0.93$ eV$^{2}$ 및 $\sin^{2}(2\theta_{\mu\mu}) = 0.11$에서 현재의 글로벌 최적합 파aram터에 대해 5$σ$ 감도를 확보할 수 있다.
• KPipe는 MiniBooNE 및 SciBooNE에 비해 스테일러 중성미자 혼합에 대한 실험적 배제 영역을 한 계급 정도 확장할 수 있다.
• 정점 재구성, 시간 및 공간 동시성 절단 후 $\nolde_{\mu}$ CC 상호작용에 대해 75%의 신호 효율성을 달성한다.
• 고에너지, 저에너지 및 10cm 배제 절단 후 잔류 우주선 배경은 27 Hz로 감소하며, 신호 사건과의 동시성 비율은 2.6%에 불과하다.
• 정점 재구성 해상도는 0.8m로, 검출기 길이에 따라 진동파를 정밀하게 맵핑할 수 있다.
• Neyman $χ^{2}$ 관례를 사용한 형상 전용 분석은 상관관계 있는 시스템적 불확실성을 배제한 채 강력한 감도를 확인한다.