[논문 리뷰] The European Spallation Source neutrino Super Beam

M. Dracos, Baussan, E.외 60명|arXiv (Cornell University)|2022. 03. 15.

Particle accelerators and beam dynamics인용 수 6

한 줄 요약

논문은 유럽 스파라션 원천 중성미온 슈퍼빔(Essential Spallation Source neutrino Super Beam, ESSνSB)을 제안하며, 5 MW 프로톤 리네어 인덕터 콘덴서(LINAC)를 10 MW로 업그레이드하여 제2의 진동 최대값에서 CP 위반을 측정하기 위한 고강도 중성미온 실험을 수행한다. 10년간의 운영과 360–540 km 거리에 위치한 500kt 수중 체렌코프 원거리 검출기로 인해 ESSνSB는 δCP의 70% 이상에서 5σ의 정밀도로 CP 위반을 발견할 수 있으며, 모든 δCP 값에서 오차가 8° 이내로 유지된다.

ABSTRACT

In this Snowmass 2021 white paper, we summarise the Conceptual Design of the European Spallation Source neutrino Super Beam (ESSvSB) experiment and its synergies with the possible future muon based facilities, e.g. a Low Energy nuSTORM and the Muon Collider. The ESSvSB will benefit from the high power, 5 MW, of the European Spallation Source (ESS) LINAC in Lund-Sweden to produce the world most intense neutrino beam, enabling measurements to be made at the second oscillation maximum. Assuming a ten-year exposure, physics simulations show that the CP-invariance violation can be established with a significance of 5 sigma over more than 70% of all values of delta CP and with an error in the measurement of the delta CP angle of less than 8 degree for all values of delta CP. However, several technological and physics challenges must be further studied before achieving a final Technical Design. Measuring at the 2nd oscillation maximum necessitates a very intense neutrino beam with the appropriate energy. For this, the ESS proton beam LINAC, which is designed to produce the world's most intense neutron beam, will need to be upgraded to 10 MW power, 2.5 GeV energy and 28 Hz beam pulse repetition rate. An accumulator ring will be required for the compression of the ESS LINAC beam pulse from 2.86 ms to 1.3 mus. A high power target station facility will be needed to produce a well-focused intense (super) mu-neutrino beam. The physics performance of that neutrino Super Beam in conjunction with a megaton underground Water Cherenkov neutrino far detector installed at a distance of either 360 km or 540 km from the ESS, the baseline, has been evaluated.

연구 동기 및 목표

• 장거리 중성미온 실험을 통해 렙톤 CP 위반 상수 δCP를 고정밀도로 측정하는 것을 목적으로 한다.
• 현재의 장거리 실험에서의 체계적 불확실성 문제를 제거하기 위해 제2의 진동 최대값을 목표로 한다.
• ESS의 고출력 프로톤 리네어 인덕터 콘덴서(LINAC)를 10 MW로 업그레이드하여 강력한 중성미온 빔을 생산함으로써 감도를 향상시키는 것을 목적으로 한다.
• 공통 인프라와 빔 활용을 통해 향후 수소 기반 시설, 예를 들어 저에너지 nuSTORM과 뮤온 콜라이더와의 시너지를 창출하는 것을 목적으로 한다.
• 다음 세대 중성미온 진동 물리학을 위한 360–540 km 기준 거리에 위치한 메가톤 규모의 수중 체렌코프 검출기의 실현 가능성을 입증하는 것

제안 방법

• 2.5 GeV, 28 Hz로 5 MW에서 10 MW로 업그레이드된 ESS 프로톤 리네어 인덕터 콘덴서(LINAC)를 사용하여 고강도 중성미온 빔을 생성한다.
• 2.86 ms의 리네어 인덕터 콘덴서 펄스를 1.3 µs로 압축하기 위해 누적 고리(accumulator ring)를 구현하여 고피크 강도를 달성한다.
• 고출력 타겟 스테이션을 활용하여 잘 집중된 강력한 (슈퍼) 뮤온 중성미온 빔을 생산한다.
• 제2의 최대 진동에서 중성미온 진동을 관측하기 위해 360 km 또는 540 km 기준 거리에 메가톤 규모의 지하 수중 체렌코프 원거리 검출기를 설치한다.
• 빔 추출 및 단계 이동을 최적화하기 위해 빔 스위치 yard와 압축기/펌프 고리(compressor/buncher ring)를 활용한다.
• 향후 뮤온 생성과 통합된 중성미온 빔라인을 통해 저에너지 nuSTORM과 뮤온 콜라이더 등의 후속 실험을 가능하게 한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 ESS 리네어 인덕터 콘덴서(LINAC)에서 유도된 중성미온 슈퍼빔이 δCP 값의 70% 이상에서 5σ의 CP 위반 발견 정밀도를 확보할 수 있는가?
• RQ2 제2의 진동 최대값을 이용한 δCP 측정의 정밀도는 얼마이며, 모든 δCP 값에서 일관되게 유지될 수 있는가?
• RQ3 ESS 프로톤 드라이버를 10 MW로 업그레이드하여 제2의 최대값 측정에 필요한 강도를 확보할 수 있는가?
• RQ4 1마이크로초 이내의 펄스를 달성하기 위한 압축 기술, 특히 누적 고리와 압축기 고리의 기술적 요구사항은 무엇인가?
• RQ5 저에너지 nuSTORM과 뮤온 콜라이더와 같은 향후 뮤온 기반 시설과 ESSνSB 간의 시너지는 무엇인가?

주요 결과

• 10년간의 데이터 수집 후, ESSνSB는 모든 δCP 값의 70% 이상에서 CP 위반에 대해 5σ의 발견 정밀도를 달성한다.
• 모든 δCP 값에서 δCP 측정 오차가 8° 이내로 유지되어 전체 위상 공간에서 고정밀도 측정이 가능하다.
• 제2의 진동 최대값은 체계적 불확실성의 영향을 크게 줄여 첫 번째 최대값 실험보다 더 강건한 결과를 제공한다.
• ESS 리네어 인덕터 콘덴서(LINAC)가 10 MW로 업그레이드되면, 더 긴 기준 거리와 제2의 최대값에서 낮은 통계량을 보상하기 위한 필요한 빔 전력이 확보된다.
• 미래의 업그레이드를 위해 뮤온 공생 생산을 통해 저에너지 nuSTORM과 뮤온 콜라이더 개발을 동시에 지원할 수 있다.
• 제안된 일정은 2022년까지 개념 설계 연구를 완료하고, 2030년에 건설을 시작하며, 2030년 이후로 운영을 시작할 것으로 예상되며, 연간 ESS 정지 시간을 활용해 업그레이드를 진행한다.