[논문 리뷰] Proposal: A Search for Sterile Neutrino at J-PARC Materials and Life Science Experimental Facility

Masahide Harada, S. Hasegawa외 26명|arXiv (Cornell University)|2013. 10. 05.

Neutrino Physics Research참고 문헌 7인용 수 27

한 줄 요약

이 논문은 J-PARC의 재료 및 생명과학 실험설비(MLF)에서 막대한 양의 펄스형 양성자 비임의를 이용해, $\bar{\nu}_\mu \to \bar{\nu}_e$ 진동을 통해 비활성 중성자를 탐색하는 방법을 제안한다. 실험은 펄스형 양성자 비임의를 이용해 $\mu^+$ 붕괴에서 유도된 강력하고 정밀하게 校정된 $\bar{\nu}_\mu$ 빔을 생성하며, 역베타붕괴($\bar{\nu}_e + p \to e^+ + n$)를 통해 검출하고 중성자 포획 감마선 태그를 사용한다. 주요 기여는 $\Delta m^2 \sim 1~\text{eV}^2$ 영역을 대상으로 고감도·저배경 탐색 방법을 제공하며, 향후 장거리 기반 원거리 검출기로의 확장 가능성을 고려한 것이다.

ABSTRACT

We propose a definite search for sterile neutrinos at the J-PARC Materials and Life Science Experimental Facility (MLF). With the 3 GeV Rapid Cycling Synchrotron (RCS) and spallation neutron target, an intense neutrino beam from muon decay at rest (DAR) is available. Neutrinos come from μ+ decay, and the oscillation to be searched for is (anti νμ-> anti νe) which is detected by the inverse βdecay interaction (anti νe + p -> e+ + n), followed by a gamma from neutron capture. The unique features of the proposed experiment, compared with the LSND and experiments using horn focused beams, are; (1) The pulsed beam with about 600 ns spill width from J-PARC RCS and muon long lifetime allow us to select neutrinos from μDAR only. (2) Due to nuclear absorption of π- and μ-, neutrinos from μ- decay are suppressed to about the $10^{-3}$ level. (3) Neutrino cross sections are well known. The inverse βdecay cross section is known to be a few percent accuracy. (4) The neutrino energy can be calculated from positron energy by adding ~1.8 MeV. (5) The anti νμand νe fluxes have different and well defined spectra. This allows us to separate oscillated signals from those due to μ- decay contamination. We propose to proceed with the oscillation search in steps since the region of Δm^2 to be searched can be anywhere between sub-eV^2 to several tens of eV^2. We start to examine the large Δm^2 region, which can be done with short baseline at first. At close distance to the MLF target gives a high neutrino flux, and allows us to use relatively small detector. If no definitive positive signal is found, a future option exists to cover small Δm^2 region. This needs a relatively long baseline and requires a large detector to compensate for the reduced neutrino flux.

연구 동기 및 목표

• 과거 실험에서 관측된 이４ anomalies가 제안한 $\Delta m^2 \sim 1~\text{eV}^2$ 영역에서 $\bar{\nu}_\mu \to \bar{\nu}_e$ 진동을 통해 비활성 중성자를 탐색하기 위해.
• J-PARC MLF의 고유한 펄스형 비임의와 장수명의 양성자 수명을 활용해, $\mu^+$ 붕괴 정지에서 기인한 깔끔한 $\bar{\nu}_\mu$ 빔을 확보함으로써, 피오톤/카이온 붕괴-비행에서 기인한 배경을 최소화하기 위해.
• 정밀한 타이밍 및 초기점 해상도를 갖춘 분할형 액체 스크린 검출기로, 즉각적인 양전자 신호와 지연된 중성자 포획 신호를 식별함으로써 고감도를 달성하기 위해.
• 장거리 기반 원거리 검출기를 사용한 향후 확장 가능성을 고려해, 근거리-원거리 검출기 시스템 불확실성 상쇄 기법을 통해 $\Delta m^2$ 영역을 더 낮은 수준으로 탐색하기 위해.
• $\mu^-$ 붕괴 및 우주선에서 기인한 배경을 줄이기 위해 비임의 게이팅, 공간적 제한, 중성자 자가 차폐 기법을 사용하기 위해.

제안 방법

• J-PARC의 3 GeV 빠른 순환 싱크로트론(RCS)을 이용해 약 600 ns의 스플릿 너비를 갖는 펄스형 양성자 비임의를 생성하여, $\mu^+$ 붕괴-정지(DAR) 중성자 빔에 대한 선택적 게이팅을 가능하게 한다.
• $\mu^+ \to e^+ + \bar{\nu}_\mu + \nu_e$ 반응에서 주로 $\bar{\nu}_\mu$와 $\nu_e$ 빔을 생성하며, 핵 흡수로 인해 $\pi^-$ 및 $\mu^-$ 유도 중성자 빔의 비율이 약 $10^{-3}$ 수준으로 억제된다.
• 역베타붕괴를 통해 $\bar{\nu}_e$ 를 검출: $\bar{\nu}_e + p \to e^+ + n$이며, 이후 중성자가 양성자에서 포착되어 지연된 $\gamma$ 신호를 생성한다.
• 즉각적인 양전자 신호와 지연된 감마 신호 간의 엄격한 타이밍 및 초기점 상관관계를 적용하여, 진동된 $\bar{\nu}_e$ 사건을 식별하고, 빠른 중성자에서 기인한 마이켈 전자 배경을 거부한다.
• 3인치 PMT를 양측에 장착한 분할형 액체 스크린 모듈을 사용하여 약 5 cm의 초기점 해상도와 약 $11.6\% / \sqrt{E}$의 에너지 해상도를 확보함으로써 배경 감소를 달성한다.
• 비임의 게이팅(스플릿 시작 후 1 $\mu$s 창)을 적용하여 비임의 연관 빠른 중성자 및 온-밴치 활동을 제거하고, $\mu^-$ 붕괴 및 우주선 양성자에서 기인한 배경을 감소시킨다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 J-PARC MLF에서 $\mu^+$ 붕괴-정지에서 기인한 깔끔하고 강력한 $\bar{\nu}_\mu$ 빔을 활용해 $\Delta m^2 \sim 1~\text{eV}^2$ 영역에서 $\bar{\nu}_\mu \to \bar{\nu}_e$ 진동을 탐색할 수 있는가?
• RQ2 J-PARC의 펄스형 비임의 구조와 양성자 수명이 피오톤/카이온 붕괴-비행 및 $\mu^-$ 유도 배경을 효과적으로 억제할 수 있는가?
• RQ3 정밀한 타이밍 및 초기점 해상도를 갖춘 분할형 액체 스크린 검출기가 진짜 $\bar{\nu}_e$ 신호와 마이켈 전자 및 기타 배경을 구분할 수 있는가?
• RQ4 17 m 기준 검출기의 감도는 $\Delta m^2 \sim 1~\text{eV}^2$에서 어떻게 되며, 원거리 검출기 전용 또는 근거리-원거리 검출기 구성과 비교해 볼 때 어떤가?
• RQ5 근거리-원거리 검출기 비교를 통해 체계적 불확실성을 충분히 감소시켜 향후 장거리 기반 확장에서 $\text{sub-eV}^2$ 영역을 탐색할 수 있는가?

주요 결과

• 제안된 실험은 $\mu^-$ 붕괴에서 기인한 $\bar{\nu}_e$ 의 배경 수준을 핵 흡수로 인해 약 $10^{-3}$ 수준으로 낮춰, 오염을 크게 감소시킨다.
• 5 cm의 초기점 해상도와 350 ps의 타이밍 해상도를 통해 즉각적인 양전자 신호와 지연된 중성자 포착 신호를 효과적으로 분리하여, 오진 신호를 줄인다.
• 17 m 기준 검출기는 1 MW 비임의 출력으로 2년 노출 시 $5\sigma$ 감도를 $\Delta m^2 \sim 1~\text{eV}^2$ 영역에서 확보할 것으로 예상된다.
• 향후 장거리 기반 확장으로 1 kton 검출기를 60 m 거리에 설치할 경우, $\text{sub-eV}^2$ 영역을 탐색할 수 있으며, 근거리-원거리 검출기 간의 체계적 불확실성 상쇄로 감도가 향상된다.
• 원거리+근거리 검출기 구성은 상쇄 후 체계적 불확실성을 2%로 줄일 수 있으며, 원거리 전용 검출기 구성은 10%의 비율 및 50%의 배경 불확실성을 가정한다.
• 검출기 설계는 작은 모듈을 이용한 프로토타입 런을 가능하게 하여, 전체 시스템의 조기 테스트 및 校정이 전면 구현 이전에 수행될 수 있도록 한다.