[논문 리뷰] Search for anomalies in the neutrino sector with muon spectrometers and large LArTPC imaging detectors at CERN

M. Antonello, D. Bagliani외 137명|arXiv (Cornell University)|2012. 08. 03.

Neutrino Physics Research참고 문헌 6인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 뮤온 스펙트로미터와 대규모 액체 헬륨 시간 영역 카메라(LArTPCs)를 이용한 CERN 기반 실험을 제안하여, 비활성 뉴트리노 비정상성 현상을 탐색한다. 근거리 및 원거리 검출기에서 중성미자와 반중성미자의 전하형인력 상호작용을 고정밀도로 측정함으로써, 비활성 뉴트리노 진동에 대한 질량 제곱 차이 Δm²와 혼합 각도 sin²2θ를 독립적으로 결정하고자 하며, 이는 LSND 및 MiniBooNE 비정상성 영역을 모두 포함하는 감도를 확보한다.

ABSTRACT

A new experiment with an intense ~2 GeV neutrino beam at CERN SPS is proposed in order to definitely clarify the possible existence of additional neutrino states, as pointed out by neutrino calibration source experiments, reactor and accelerator experiments and measure the corresponding oscillation parameters. The experiment is based on two identical LAr-TPCs complemented by magnetized spectrometers detecting electron and muon neutrino events at Far and Near positions, 1600 m and 300 m from the proton target, respectively. The ICARUS T600 detector, the largest LAr-TPC ever built with a size of about 600 ton of imaging mass, now running in the LNGS underground laboratory, will be moved at the CERN Far position. An additional 1/4 of the T600 detector (T150) will be constructed and located in the Near position. Two large area spectrometers will be placed downstream of the two LAr-TPC detectors to perform charge identification and muon momentum measurements from sub-GeV to several GeV energy range, greatly complementing the physics capabilities. This experiment will offer remarkable discovery potentialities, collecting a very large number of unbiased events both in the neutrino and antineutrino channels, largely adequate to definitely settle the origin of the observed neutrino-related anomalies.

연구 동기 및 목표

• 장기적으로 지속된 중성미자 영역의 비정상성, 특히 뮤온 중성미자 비임의에서 발생하는 전자 유사 사건의 과잉 현상인 LSND 및 MiniBooNE 비정상성을 해결하기 위해.
• 표준모형을 초월하는 큰 질량 제곱 차이(Δm² ~ 0.01–1.0 eV²)를 가진 비활성 뉴트리노 존재를 가정한 가설을 검증하기 위해.
• 두 가지 다른 기준거리에서 중성미자 및 반중성미자 에너지 스펙트럼을 측정하여, Δm² 및 sin²2θ를 독립적으로 결정하기 위해.
• 반응기 비정상성 및 갈륨 캘리브레이션 원천 결과를 포함한 비활성 뉴트리노 진동의 전체 매개변수 영역을 탐색하기 위해.
• CCFR, CDHS 및 SciBooNE/MiniBooNE 실험의 맥락에서 뮤온 중성미자 소멸의 기존 제한을 확장하기 위해.

제안 방법

• 양성 및 음성 극성 집속을 이용한 고강도 CERN SPS 비임을 이용하여 중성미자 및 반중성미자 비임을 생성한다.
• 근거리(119 톤 유효 부피) 및 원거리(476 톤 유효 부피)에 대용량 액체 헬륨 시간 영역 카메라(LArTPCs)를 배치하여 전하형인력 상호작용의 고해상도 재구성에 활용한다.
• 근거리 및 원거리 위치에 뮤온 스펙트로미터(NESSiE)를 통합하여 뮤온 운동량과 전하를 측정함으로써 νμ 및 ν̄μ 이벤트를 분리한다.
• 두 기준거리에서 νe 및 νμ 전하형인력 이벤트의 에너지 스펙트럼을 측정하여, 진동 패턴 분석을 통해 Δm² 및 sin²2θ를 분리한다.
• (Δm², sin²2θ) 평면에서 감도 평가를 위해 에너지 스펙트럼에 3%의 체계적 불확도를 적용한다.
• 3년간(2년 음성 집속, 1년 양성 집속) 중성미자 및 반중성미자 모드를 활용하여 비정상성 매개변수 영역의 최대 커버리지 확보.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 Δm² ~ 0.01–1.0 eV²인 비활성 뉴트리노 상태의 존재가 뮤온 중성미자에서 전자 중성미자로의 진동에서 발생하는 LSND 및 MiniBooNE 비정상성을 설명할 수 있는가?
• RQ2 제안된 설정이 비활성 뉴트리노 진동에 대해 질량 제곱 차이 Δm²와 혼합 각도 sin²2θ를 독립적으로 측정하는 데 얼마나 높은 감도를 가지는가?
• RQ3 반응기 중성미자 비정상성 및 갈륨 캘리브레이션 원천 결과에서 제안된 매개변수 영역을 실험은 얼마나 제거하거나 확인할 수 있는가?
• RQ4 LArTPC 영상과 뮤온 스펙트로미터 측정의 조합은 이전 실험에 비해 νμ 및 ν̄μ 이벤트 분리에 얼마나 향상되는가?
• RQ5 이 설정이 νμ 소멸에 대해 기대되는 감도는 무엇이며, CCFR, CDHS 및 MiniBooNE의 기존 제한을 얼마나 초월하는가?

주요 결과

• 제안된 설정은 LSND 및 MiniBooNE 비정상성 영역에 대한 감도를 확보하며, MiniBooNE 반중성미자 분석에서의 두 가지 선호되는 매개변수 조합을 모두 포함한다.
• 1년간의 데이터 수집으로, (Δm², sin²2θ) 평면에서 νe 소멸에 대한 감도가 반응기, GALLEX 및 SAGE 실험의 병합된 비정상성을 완전히 탐색할 수 있다.
• 감도도 그래프(그림 7)는 현재의 CDHS 및 SciBooNE+MiniBooNE 제한을 90% 신뢰수준에서 뛰어넘는 νμ 소멸에 대한 제한의 상당한 확장을 보여준다.
• 2년간 음성 집속 및 1년간 양성 집속 운행 조건에서, 원거리 위치의 LArTPCs에서 예상되는 상호작용 빈도는 5.2×10⁴개의 νμ 전하형인력 이벤트에 이를 수 있으며, 이는 고통계 측정을 가능하게 한다.
• 이 방법은 Δm² 및 sin²2θ를 독립적으로 결정할 수 있으며, 그림 5에서 다양한 진동 매개변수에 따른 전자 중성미자 스펙트럼의 명확한 차이를 보여준다.
• 내재된 νe 비임 배경이 정량화되었으며, 이는 진동 신호와 구분 가능하므로 분석의 강건성을 향상시킨다.