[논문 리뷰] Prospect for Charge Current Neutrino Interactions Measurements at the CERN-PS

P. Bernardini, A. Bertolin외 43명|arXiv (Cornell University)|2011. 11. 07.

Neutrino Physics Research참고 문헌 33인용 수 18

한 줄 요약

이 논문은 CERN-PS에서 두 대의 분광계—근거리(127 m) 및 원거리(850 m)—를 이용하여 전하형인 중성미자 상호작용을 측정하기 위한 NESSiE 실험을 제안한다. 이 분광계들은 철과 공기 기반의 도플레 자석을 장착하여 뮤온 운동량과 전하를 정밀하게 측정한다. 이 측정값을 액체 헬륨 검출기와 조합함으로써 실험은 단기적 거리 중성미자 비정상성 문제를 해결하고, 스테일러 중성미자 존재 여부를 검증하며, 높은 감도와 낮은 시스템적 불확실성을 바탕으로 $ν_{\mu} \rightarrow \nu_{e}$ 및 $\bar{\nu}_{\mu} \rightarrow \bar{\nu}_{e}$ 전이를 통해 CP 위반을 탐색하고자 한다.

ABSTRACT

Tensions in several phenomenological models grew with experimental results on neutrino/antineutrino oscillations at Short-Baseline (SBL) and with the recent, carefully recomputed, antineutrino fluxes from nuclear reactors. At a refurbished SBL CERN-PS facility an experiment aimed to address the open issues has been proposed [1], based on the technology of imaging in ultra-pure cryogenic Liquid Argon (LAr). Motivated by this scenario a detailed study of the physics case was performed. We tackled specific physics models and we optimized the neutrino beam through a full simulation. Experimental aspects not fully covered by the LAr detection, i.e. the measurements of the lepton charge on event-by-event basis and their energy over a wide range, were also investigated. Indeed the muon leptons from Charged Current (CC) (anti-)neutrino interactions play an important role in disentangling different phenomenological scenarios provided their charge state is determined. Also, the study of muon appearance/disappearance can benefit of the large statistics of CC muon events from the primary neutrino beam. Results of our study are reported in detail in this proposal. We aim to design, construct and install two Spectrometers at "NEAR" and "FAR" sites of the SBL CERN-PS, compatible with the already proposed LAr detectors. Profiting of the large mass of the two Spectrometers their stand-alone performances have also been exploited.

연구 동기 및 목표

• LSND에서 관측한 $\bar{\nu}_\mu \rightarrow \bar{\nu}_e$ 전이와 게일리움 실험에서 관측된 $\nu_e$ 소멸 현상 등 해결되지 않은 단기적 거리 중성미자 비정상성을 다루기.
• 넓은 에너지 범위에서 $\nu_\mu$ 및 $\bar{\nu}_\mu$ 소멸 측정을 통해 스테일러 중성미자 존재 여부를 검증하기.
• 충전상호작용에서 유도된 뮤온의 전하를 정확히 식별하여 빔 내의 $\nu_\mu$ 및 $\bar{\nu}_\mu$ 성분을 분리함으로써 CP 위반 탐색에 필수적인 조건을 마련하기.
• CERN-PS의 기존 액체 헬륨 검출기와 보완하여, 특히 저에너지 뮤온 탐지 및 전하 식별 능력을 향상시켜 물리적 탐색 범위를 확장하기.
• OPERA 실험의 구성 요소를 재사용하고, 저항성 플레이트 챔버(RPCs) 및 드리프트 튜브와 같은 성숙한 기술을 활용하여 비용과 건설 기간을 최소화하기.

제안 방법

• 근거리(127 m) 및 원거리(850 m) 위치에 철핵 도플레 자석을 사용하는 두 대의 분광계를 설계하여, 자석의 휘어짐을 통해 뮤온 운동량과 전하를 측정한다.
• 저에너지 영역(수백 MeV에서 수 개의 GeV)에서 운동량 해상도를 향상시키기 위해 분광계 앞부분에 국소화된 공기 기반 자기장을 도입한다.
• 기존 OPERA 검출기 기술을 활용하여 아날로그 및 디지털 읽기 방식을 갖춘 저항성 플레이트 챔버(RPCs)를 사용하여 고정밀도 추적 및 전하 식별을 수행한다.
• 중성미자 빔 조건, 호른 설계 및 검출기 반응을 전부 시뮬레이션하는 몬테카를로 시뮬레이션을 수행하여 빔 파arameter 및 분광계 성능을 최적화한다.
• 고다양성 환경에서 저배경, 고속도 뮤온 탐지에 적합한 프론트엔드 전자기기 및 트리거 논리를 갖춘 데이터 수집 시스템을 구현한다.
• 장기간 운영 중 자석 전류 및 검출기 안정성을 모니터링하고 조절하기 위해 서브 제어 시스템과 전원 공급 장치를 적용한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 NESSiE 분광계는 LSND에서 관측한 $\bar{\nu}_\mu \rightarrow \bar{\nu}_e$ 비정상성을 고정밀도 뮤온 전하 및 운동량 측정을 통해 해결할 수 있는가?
• RQ2 NESSiE 실험은 전체 뮤온 운동량 범위에서 $\nu_\mu$ 및 $\bar{\nu}_\mu$ 소멸에 대해 어느 정도의 감도를 가지며, 이를 통해 스테일러 중성미자 모델을 어떻게 제약하는가?
• RQ3 충전상호작용에서 뮤온의 전하 식별 능력이 $\nu_\mu \rightarrow \nu_e$ 및 $\bar{\nu}_\mu \rightarrow \bar{\nu}_e$ 전이 확률 측정의 시스템적 불확실성을 어느 정도 감소시키는가?
• RQ4 분광계는 근거리 검출기에서 중성미자 빔 조건 측정을 어떻게 향상시키며, 이는 전체 오scillation 파aram터 감도에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 NESSiE 설정은 고정밀도로 $\nu_\mu \rightarrow \nu_e$ 및 $\bar{\nu}_\mu \rightarrow \bar{\nu}_e$ 전이 확률를 비교함으로써 중성미자 영역에서의 CP 위반을 탐지할 수 있는가?

주요 결과

• NESSiE 분광계는 약 ~200 MeV에서 5 GeV 이상의 넓은 에너지 범위에서 뮤온 운동량과 전하를 고해상도로 측정할 수 있도록 설계되어, $\nu_\mu$ 및 $\bar{\nu}_\mu$ 소멸 현상을 정밀하게 연구할 수 있다.
• 철 분광계 앞에 공기 기반 자기장을 도입함으로써 저에너지 영역에서 운동량 해상도가 향상되어, 충전상호작용에서 유도된 저에너지 뮤온 탐지에 필수적인 기여를 한다.
• 저항성 플레이트 챔버(RPCs)와 드리프트 튜브의 활용을 통해 비용 효율적이고 확장 가능하며 재구성 가능한 추적 시스템를 확보할 수 있으며, OPERA 실험의 구성 요소를 재사용할 가능성도 있다.
• NESSiE 실험의 총 예상 비용은 830만 유로이며, 주요 구성 요소로는 원거리 자석에 250만 유로, 근거리 자석에 200만 유로, 검출기 시스템에 100만 유로가 소요되어 예산 제약 내에서 실현 가능하다.
• 분광계는 근거리 검출기에서 중성미자 빔 조건 측정의 시스템적 불확실성을 크게 감소시켜, 정확한 오실레이션 파aram터 추출 및 CP 위반 탐색에 필수적인 기여를 한다.