[논문 리뷰] NESSiE: The Experimental Sterile Neutrino Search in Short-Base-Line at CERN

U. Köse|arXiv (Cornell University)|2013. 04. 26.

Neutrino Physics Research참고 문헌 15인용 수 3

한 줄 요약

NESSiE는 CERN에서 새로운 단파장 중성자 비ーム을 이용하여, 두 대의 자기 스펙트로미터(근접 및 원거리)와 ICARUS 유사한 액체 희귀가스 시간 전위 챔버를 조합하여, 충전형인 무거운 중성자 및 반중성자 상호작용을 측정함으로써, 고정밀도로 비활성 중성자를 탐색한다. 이 실험은 현재의 한계를 초월하여, 특히 $\Delta m^2 \sim 2$ eV$^2$ 및 $\sin^2 2\theta \sim 10^{-2}$에서 LSND 및 반응로 이상 현상의 매개변수 영역을 커버할 목적으로 설계되어 있으며, 낮은 시스템적 오차로 $\nu_\mu$와 $\bar{\nu}_\mu$의 소멸을 독립적으로 측정한다.

ABSTRACT

Several different experimental results are indicating the existence of anomalies in the neutrino sector. Models beyond the standard model have been developed to explain these results and involve one or more additional neutrinos that do not weakly interact. A new experimental program is therefore needed to study this potential new physics with a possibly new Short-Base-Line neutrino beam at CERN. CERN is actually promoting the start up of a New Neutrino Facility in the North Area site, which may host two complementary detectors, one based on LAr technology and one corresponding to a muon spectrometer. The system is doubled in two different sites. With regards to the latter option, NESSiE, Neutrino Experiment with Spectrometers in Europe, had been proposed for the search of sterile neutrinos studying Charged Current (CC) muon neutrino and antineutrino ineractions. The detectors consists of two magnetic spectrometers to be located in two sites:"Near" and "Far" from the proton target of the CERN-SPS beam. Each spectrometer will be complemented by an ICARUS-like LAr target in order to allow also Neutral Current (NC) and electron neutrino CC interactions reconstruction.

연구 동기 및 목표

• 단파장 중성자 진동 실험에서 관찰된 이상 현상들을 설명할 수 있는 비활성 중성자가 존재하는지 조사하기 위해.
• LSND, MiniBooNE, 반응로 및 갈륨 이상 현상과 일치하는 매개변수 영역을 탐색하여, $\Delta m^2 \sim 1-2$ eV$^2$ 정도의 네 번째 비활성 중성자가 존재할 가능성을 조사하기 위해.
• 자기 스펙트로미터에서의 전하 식별을 통해 $\nu_\mu$와 $\bar{\nu}_\mu$의 소멸을 독립적으로 측정하여 배경 및 시스템적 불확실성을 감소시키기 위해.
• 근접 및 원거리 검출기 위치에서 중성자 조사 및 상호작용 스펙트럼을 고정밀도로 측정하여, 진동에 의해 유도된 스펙트럼 왜곡을 탐지하기 위해.

제안 방법

• SPS에서 추출된 100 GeV의 프로톤을 이용해 새로운 CERN 중성자 비임 시설(CENF)을 구동하여, 그래파이트 타겟에 충돌시켜 2차원 페이톤 및 카이온을 생성하고, 이들이 무거운 중성자 및 반중성자로 붕괴되도록 하기 위해.
• 근접(119톤의 효과 질량) 및 원거리(476톤) 위치에 동일한 자기 스펙트로미터를 설치하여, 뮤온 운동량과 전하를 재구성함으로써 $\nu_\mu$ 및 $\bar{\nu}_\mu$ 이벤트를 분리한다.
• 각 위치에 ICARUS 유사한 액체 희귀가스 시간 전위 챔버(LAr-TPC)를 통합하여, 고정밀도로 충전형 및 중성형 상호작용을 탐지하고 재구성한다.
• 근접 및 원거리 검출기 사이의 재구성된 CC 대비 NC 이벤트 비율과 스펙트럼 왜곡을 이용하여 진동을 탐지하며, 진동이 없을 경우 초기 스펙트럼이 동일하다는 가정을 한다.
• $\nu_\mu$ 및 $\bar{\nu}_\mu$ 소멸을 독립적으로 측정하여, 비활성 중성자 혼합에서의 CP 위반 효과를 검증한다.
• 높은 통계량(예: $\Delta m^2 \sim 2$ eV$^2$일 때 원거리 위치에서 NESSiE만으로 약 120만 개의 $\nu_\mu$ CC 이벤트)을 활용하여 기존 실험을 초월한 감도를 확보한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 LSND 및 MiniBooNE 이상 현상은 $\Delta m^2 \sim 1-2$ eV$^2$인 비활성 중성자가 존재함으로써 설명될 수 있는가?
• RQ2 NESSiE 실험이 $\Delta m^2 \sim 0.2-2$ eV$^2$ 범위에서 $\nu_\mu$ 소멸에 대해 어떤 감도를 가지며, 특히 반응로 및 갈륨 이상 현상의 맥락에서 어떻게 작용하는가?
• RQ3 NESSiE 스펙트로미터는 뮤온 전하 식별을 통해 $\nu_\mu$와 $\bar{\nu}_\mu$ 이벤트를 어느 정도 정확히 구분할 수 있으며, 이는 배경 억제에 어떻게 기여하는가?
• RQ4 실험은 $\nu_e$ 출현 및 소멸 모드에 대해 감도를 확보할 수 있으며, 이는 비활성 중성자 결합에 대한 제약 조건을 어떻게 설정하는가?
• RQ5 근접 및 원거리 검출기 사이의 뮤온 운동량 분포에서 발생하는 스펙트럼 왜곡은 비활성 중성자 진동에 의해 어떻게 탐지될 수 있는가?

주요 결과

• NESSiE 스펙트로미터는 근접 및 원거리 위치에서 LAr-TPC를 통과하거나 그로부터 빠져나오는 모든 CC 이벤트의 약 40%를 재구성할 것으로 예상되며, 이는 전체 스펙트럼 측정이 가능함을 의미한다.
• 3년간 운영(중성자 모드 2년, 반중성자 모드 1년)을 통해, NESSiE는 CDHS 및 SciBooNE+MiniBooNE의 한계를 초월하여 $\nu_\mu$ 소멸에 대한 감도를 확보하며, LSND 이상 현상 영역의 대부분을 커버한다.
• $\Delta m^2 \sim 2$ eV$^2$일 경우, NESSiE 스펙트로미터만으로도 원거리 위치에서 약 110,000개의 $\bar{\nu}_\mu$ CC 이벤트를 기록할 것으로 예상되며, NESSiE+LAr 구성의 총합으로는 약 280,000개의 이벤트가 기록될 것으로 예측된다.
• 실험은 $\nu_\mu$ 소멸에 대해 높은 통계적 능력을 확보하며, 진동 가정 하에 원거리 위치에서 NESSiE만으로도 100만 개 이상의 CC 이벤트가 예상되어 정밀한 스펙트럼 분석이 가능하다.
• NESSiE 스펙트로미터는 $\nu_\mu$ 및 $\bar{\nu}_\mu$ 소멸을 독립적으로 측정할 수 있어, 비활성 중성자 영역에서의 CP 위반을 직접적으로 검증할 수 있다.
• 진동 가정 하에 근접 및 원거리 위치에서 측정된 이벤트 스펙트럼은 유의미한 차이를 보일 것으로 예상되며, 특히 $\Delta m^2 \sim 2$ eV$^2$에서 $\nu_\mu$ CC 스펙트럼에서 가장 큰 이질성이 발생하여, 비활성 중성자 진동의 명확한 서명을 제공한다.