[논문 리뷰] Search for "anomalies" from neutrino and anti-neutrino oscillations at Delta_m^2 ~ 1eV^2 with muon spectrometers and large LAr-TPC imaging detectors

M. Antonello, D. Bagliani외 137명|arXiv (Cornell University)|2012. 03. 15.

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한 줄 요약

이 실험은 CERN-SPS 중성미자 비드를 사용하여 Δm² ~ 1 eV²에서 비활성 중성미자 진동을 탐색하는 것을 제안한다. 두 대의 동일한 대용량 액체 희토르 시간 영역 챔버(LAr-TPC)를 근거리(300 m)와 원거리(1600 m)에 위치시켜, 이후에 자석장이 가해진 뮤온 스펙트로미터를 설치한다. 이 방법은 두 위치에서 동일한 중성미자 스펙트럼을 이용하며, 이벤트 분포의 어떤 이질성도 νμ → νs 진동을 시사한다. 스펙트로미터를 통해 정밀한 뮤온 전하 및 운동량 측정이 가능하여 배경을 억제하고 시스템적 오차를 통제할 수 있다.

ABSTRACT

This proposal describes an experimental search for sterile neutrinos beyond the Standard Model with a new CERN-SPS neutrino beam. The experiment is based on two identical LAr-TPC's followed by magnetized spectrometers, observing the electron and muon neutrino events at 1600 and 300 m from the proton target. This project will exploit the ICARUS T600, moved from LNGS to the CERN "Far" position. An additional 1/4 of the T600 detector will be constructed and located in the "Near" position. Two spectrometers will be placed downstream of the two LAr-TPC detectors to greatly complement the physics capabilities. Spectrometers will exploit a classical dipole magnetic field with iron slabs, and a new concept air-magnet, to perform charge identification and muon momentum measurements in a wide energy range over a large transverse area. In the two positions, the radial and energy spectra of the nu_e beam are practically identical. Comparing the two detectors, in absence of oscillations, all cross sections and experimental biases cancel out, and the two experimentally observed event distributions must be identical. Any difference of the event distributions at the locations of the two detectors might be attributed to the possible existence of ν-oscillations, presumably due to additional neutrinos with a mixing angle sin^2(2theta_new) and a larger mass difference Delta_m^2_new. The superior quality of the LAr imaging TPC, in particular its unique electron-pi_zero discrimination allows full rejection of backgrounds and offers a lossless nu_e detection capability. The determination of the muon charge with the spectrometers allows the full separation of nu_mu from anti-nu_mu and therefore controlling systematics from muon mis-identification largely at high momenta.

연구 동기 및 목표

• 표준모형을 초월한 비활성 중성미자의 존재를 탐색하기 위해 Δm² ~ 1 eV²에서 비정상적인 중성미자 진동을 조사한다.
• LSND 및 MiniBooNE 실험 결과와 같은 단거리 기반 중성미자 실험에서 오랫동안 지속된 이상 현상들을 해결하며, 추가적인 경량 비활성 중성미자가 존재할 가능성을 제기한다.
• 근거리-원거리 탐지기 비교를 통해 시스템적 오차를 최소화하여 νμ 및 ν̄μ 진동을 고정밀도로 측정한다.
• LAr-TPC의 높은 전자-파이제로 분리 능력을 활용하여 전자 중성미자 탐지의 거의 손실이 없는 효율을 달성하고 배경을 억제한다.
• 스펙트로미터에서의 뮤온 전하 식별을 통해 νμ와 ν̄μ를 완전히 분리함으로써 고운동량 영역에서의 오인식 오차를 감소시킨다.

제안 방법

• CERN-SPS 프로톤 타겟에서 300 m(근거리)와 1600 m(원거리)에 두 대의 동일한 대용량 LAr-TPC(ICARUS T600)를 설치한다.
• 각 LAr-TPC 후속에 자석장이 가해진 스펙트로미터를 설치하여 고전적 디폴드 자석과 새로운 에어마그넷 개념을 사용해 뮤온 운동량과 전하를 측정한다.
• 두 위치에서 동일한 반경 및 에너지 스펙트럼을 가진 νe 비드를 이용하여 교차단면과 실험적 편향을 상쇄시킨다.
• 스펙트로미터의 전하 식별 기능을 활용해 νμ와 ν̄μ를 구분함으로써 진동 채널을 명확히 분리한다.
• LAr-TPC의 고해상도 영상 기능을 적용해 π⁰ 배경을 제거하고 νe 탐지의 전체 효율을 확보한다.
• 근거리 및 원거리 탐지기 간의 이벤트 분포를 비교하며, 어떤 이질성도 νμ → νs 진동(Δm² ~ 1 eV², sin²(2θ_new) > 0)을 시사하게 된다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 Δm² ~ 1 eV²에서 비활성 중성미자 생성과 일치하는 비정상적인 중성미자 진동이 발생하는가?
• RQ2 근거리-원거리 탐지기 구성과 동일한 비드 조건을 갖춘 실험에서 νμ → νs 진동 가설을 확인하거나 배제할 수 있는가?
• RQ3 전하 식별이 가능한 뮤온 스펙트로미터를 사용할 경우, 뮤온 오인식으로 인한 시스템적 오차는 어느 정도 통제할 수 있는가?
• RQ4 LAr-TPC는 π⁰ 및 기타 배경을 얼마나 효과적으로 억제하면서도 전자 중성미자의 높은 탐지 효율을 유지할 수 있는가?
• RQ5 LAr-TPC 영상과 스펙트로미터의 운동량 측정을 조합하면 νμ와 ν̄μ 성분을 충분한 정밀도로 분리하여 작은 진동 신호를 탐지할 수 있는가?

주요 결과

• 근거리 및 원거리 탐지기는 거의 동일한 νe 비드 스펙트럼을 가지며, 이는 검출기 및 교차단면 오차를 상쇄시키는 직접 비교를 가능하게 한다.
• LAr-TPC의 전자-파이제로 분리 능력 덕분에 νe 이벤트의 거의 손실이 없는 탐지가 가능하여 배경 오염을 최소화한다.
• 전하 식별 기능이 있는 뮤온 스펙트로미터를 통해 νμ와 ν̄μ를 완전히 분리할 수 있으며, 고운동량 영역에서 오인식 오차로 인한 시스템적 오차를 감소시킨다.
• 다른 기준 거리에 두 대의 동일한 탐지기를 사용함으로써 νμ → νs 진동에 대한 깔끔한 시험을 수행할 수 있으며, 관측된 차이점은 모두 새로운 물리학에 기인할 것이다.
• 제안된 설정은 이전 실험의 이상 현상과 일치하는 sin²(2θ_new) ~ 10⁻²에서 10⁻³, Δm² ~ 1 eV²의 비활성 중성미자 매개변수 영역을 탐색하도록 최적화되어 있다.
• 실험은 Δm² ~ 1 eV²에서 진동에 대해 높은 민감도를 확보하도록 설계되어 있으며, 비활성 중성미자 가설에 대한 결정적인 시험을 제공한다.