[논문 리뷰] Proposal for an Extended Run of T2K to $20 imes10^{21}$ POT

K. Abe, H. Aihara외 315명|arXiv (Cornell University)|2016. 09. 14.

Neutrino Physics Research참고 문헌 1인용 수 23

한 줄 요약

T2K 협력단은 중성미자 실험을 7.8×10²¹ POT에서 20×10²¹ POT으로 연장하여 δCP 값의 광범위한 범위에서 CP 위반에 3σ 민감도를 확보하고, 진동 매개변수의 정밀도를 향상시키며, 흑색 중성미자, 로렌츠 위반, 무거운 중성 렙톤과 같은 새로운 물리 현상을 탐색하고자 한다. 이를 위해 J-PARC 메인링을 1.3 MW 비례로 업그레이드하고, 전자기 호른을 320 kA로 작동시킬 수 있도록 범선을 수정하여 통계량을 최대 50% 증가시키고, 체계적 오차를 현재 수준의 2/3으로 줄일 필요가 있다.

ABSTRACT

Recent measurements by the T2K neutrino oscillation experiment indicate that CP violation in neutrino mixing may be observed in the future by long-baseline neutrino oscillation experiments. We propose an extension to the currently approved T2K running from $7.8 imes 10^{21}~\mbox{POT}$ to $20 imes 10^{21}~\mbox{POT}$, aiming at initial observation of CP violation with 3$\,σ$ or higher significance for the case of maximum CP violation. The program also contains a measurement of mixing parameters, $θ_{23}$ and $Δm^2_{32}$, with a precision of 1.7$^\circ$ or better and 1%, respectively. With accelerator and beamline upgrades, as well as analysis improvements, this program would occur before the next generation of long-baseline neutrino oscillation experiments that are expected to start operation in 2026.

연구 동기 및 목표

• δCP 값의 광범위한 범위에서, 최대 CP 위반을 포함하여 CP 위반에 3σ 민감도를 확보하기 위해.
• Δm²₃₂와 같은 진동 매개변수의 정밀도를 1% 수준으로 향상시켜 반응로 실험과의 경쟁적 비교를 가능하게 하기 위해.
• 고통계량의 중성미자 및 반중성미자 소멸 및 출현 측정을 통해 흑색 중성미자, 로렌츠 위반, 무거운 중성 렙톤과 같은 새로운 물리 현상을 탐색하기 위해.
• T2K-II 결과를 NOvA 및 반응로 데이터와 비교하여 비표준 중성미자-물질 상호작용에 대한 민감도를 향상시키기 위해.
• 초신성감지기에서 중성미자 전류 π⁰ 사건 수를 500건 이상으로 증가시키고 순도 97%를 확보하여 Δm² ~ 10⁻³ eV² 영역에서 흑색 중성미자 탐색을 가능하게 하기 위해.

제안 방법

• J-PARC 메인링을 1.3 MW 비율로 작동시켜 연간 5~6개월 간의 데이터 수집을 가능하게 하기 위해 업그레이드하기 위해.
• 중성미자 비례선을 1.3 MW 비율로 작동시키고, 전자기 호른을 320 kA로 작동시킬 수 있도록 비례선을 수정하여 중성미자 유량과 비례선 집중도를 향상시키기 위해.
• 기존의 T2K 근접 탐지기(INGRID, ND280)와 원거리 탐지기(Super-Kamiokande)를 활용하여 νμ 및 ν̄μ 소멸, νe 출현, 중성미자 전류 π⁰ 사건을 측정하기 위해.
• 통계량 증가를 활용한 고정밀 진동 분석을 통해 δCP, Δm²₃₂, θ₂₃를 제약하기 위해.
• 근접 및 원거리 탐지기에서의 일주 시계 시간 의존성 이벤트 빈도 분석을 수행하여 중성미자 전파에서의 로렌츠 위반을 탐색하기 위해.
• T2K 타겟에서 생성되고 근접 탐지기 내에서 붕괴하는 무거운 중성 렙톤(10⁻¹–10² GeV)을 탐색하기 위해.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 T2K는 δCP 값의 전체 범위에서, 최대 CP 위반을 포함하여 CP 위반에 3σ 민감도를 확보할 수 있는가?
• RQ2 20×10²¹ POT에서 Δm²₃₂의 예상 정밀도는 얼마이며, 반응로 측정 결과와 비교해 볼 때 어떻게 되는가?
• RQ3 T2K와 반응로 간의 Δm²₃₂ 측정 결과 간의 편차는 비표준 중성미자-물질 상호작용과 같은 새로운 물리 현상을 시사할 수 있는가?
• RQ4 초신성감지기에서의 π⁰ 샘플을 사용하여 Δm² ~ 10⁻³ eV² 영역에서 흑색 중성미자 진동에 대한 민감도는 얼마인가?
• RQ5 근접 및 원거리 탐지기에서의 이벤트 빈도의 일주 시계 시간 의존성은 중성미자 전파에서의 로렌츠 위반을 드러내는가?

주요 결과

• 20×10²¹ POT로 인해 T2K는 δCP 값의 광범위한 범위에서, 최대 CP 위반을 포함하여 CP 위반에 3σ 민감도를 확보할 것으로 예상된다.
• Δm²₃₂의 정밀도는 1% 수준으로 향상될 것으로 예상되며, 현재 4% 수준보다 크게 향상되어 반응로 실험과의 경쟁적 비교가 가능해진다.
• 초신성감지기에서 중성미자 전류 π⁰ 생성 사건 수는 500건을 초과하고 순도 97%를 확보할 것으로 예상되어, Δm² ~ 10⁻³ eV² 영역에서 흑색 중성미자 탐색에 민감하게 기여할 수 있다.
• 근접 탐지기에서 νe 소멸의 민감도는 반응로 ν̄e 결손에 의해 제안된 흑색 진동의 허용 가능한 매개변수 영역을 커버하며, 통계량 증가로 인해 향상될 것으로 예상된다.
• 초신성감지기에서의 일주 시계 시간 의존성 분석을 통해 더 긴 기준거리 덕분에 로렌츠 위반에 대한 민감도가 세 배수 수준으로 향상될 수 있다.
• T2K 근접 탐지기는 타겟에서 생성되고 탐지기 부피 내에서 붕괴하는 무거운 중성 렙톤(10⁻¹–10² GeV 범위)을 탐지할 것으로 예상된다.