[논문 리뷰] The JHF-Kamioka neutrino project

Y. Itow, T. Kajita외 23명|ArXiv.org|2001. 06. 05.

Neutrino Physics Research참고 문헌 1인용 수 104

한 줄 요약

JHF-Kamioka 중성미자 프로젝트는 JHF 양성자 싱크로트론에서 발생하는 고강도 중성미자 비임을 사용하고 295 km 떨어진 슈퍼카미오칸데에서 실험하는 두 번째 세대 장기기저 중성미자 진동 실험을 제안한다. 이 실험은 중성미자 혼합 매개변수의 정밀 측정, $\nue$ 존재 감지에 대해 20배 향상된 민감도, CP 위반과 양성자 붕괴 탐색을 목표로 하며, 두 번째 단계에서는 4 MW 비임 출력과 1,000톤 허브카미오칸데 검출기로 업그레이드되어 민감도를 향상시킨다.

ABSTRACT

The JHF-Kamioka neutrino project is a second generation long base line neutrino oscillation experiment that probes physics beyond the Standard Model by high precision measurements of the neutrino masses and mixing. A high intensity narrow band neutrino beam is produced by secondary pions created by a high intensity proton synchrotron at JHF (JAERI). The neutrino energy is tuned to the oscillation maximum at ~1 GeV for a baseline length of 295 km towards the world largest water Cerenkov detector, Super-Kamiokande. Its excellent energy resolution and particle identification enable the reconstruction of the initial neutrino energy, which is compared with the narrow band neutrino energy, through the quasi-elastic interaction. The physics goal of the first phase is an order of magnitude better precision in the nu_mu to nu_tau oscillation measurement (delta(Delta m_23^2)=10^-4 eV^2 and delta(sin^22theta_23)=0.01), a factor of 20 more sensitive search in the nu_mu to nu_e appearance (sin^22theta_{mu e} ~ 0.5sin^22theta_{13}>0.003), and a confirmation of the nu_mu to nu_tau oscillation or discovery of sterile neutrinos by detecting the neutral current events. In the second phase, an upgrade of the accelerator from 0.75 MW to 4 MW in beam power and the construction of 1 Mt Hyper-Kamiokande detector at Kamioka site are envisaged. Another order of magnitude improvement in the nu_mu to nu_e oscillation sensitivity, a sensitive search of the CP violation in the lepton sector (CP phase "delta" down to 10-20 degrees), and an order of magnitude improvement in the proton decay sensitivity is also expected.

연구 동기 및 목표

• 중성미자 질량과 혼합 각도의 고정밀 측정을 통해 표준모형을 초월한 물리학을 탐구하기 위해.
• 중성미자 진동에서 CP 위상을 $\delta$ 측정을 통해 렙톤 영역에서의 CP 위반을 탐색하기 위해.
• 중성미자 상호작용을 통한 중성미자 $\nunu_{\mu} \to \nu_{\tau}$ 진동을 확인하기 위해.
• 대량의 물체를 이용한 수중 체렌코프 검출기로 허위 중성미자와 양성자 붕괴 감도를 향상시키기 위해.
• 두 번째 단계에서 허브카미오칸데를 사용해 $\nue$ 존재 감지와 양성자 붕괴 감도에 대해 10배 향상된 민감도를 확보하기 위해.

제안 방법

• 0.75 MW 양성자 싱크로트론에서 유도된 2차 중입자를 이용해 JHF에서 고강도 협대역 중성미자 비임을 생성하며, 향후 4 MW로 업그레이드 가능하다.
• 295 km 기저에서 최대 진동 확률을 얻기 위해 중성미자 에너지를 약 1 GeV로 조절한다.
• 슈퍼카미오칸데의 뛰어난 에너지 해상도와 입자 식별 능력을 활용해, 준탄성 상호작용을 통해 중성미자 에너지를 재구성한다.
• 실험은 두 단계 접근법을 사용한다: 첫 번째 단계는 슈퍼카미오칸데를, 두 번째 단계는 1,000톤 허브카미오칸데 검출기를 사용한다.
• $\nue$ 존재 감지의 배경 억제는 엄격한 이벤트 선택 기준과 중성미자 플럭스 및 검출기 반응의 시뮬레이션을 통해 달성된다.
• 양성자 붕괴 감도는 물속의 자유 양성자 선택, 운동량 균형 및 불변 질량 컷을 통해 배경를 15배 감소시켜 향상된다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 JHF-Kamioka 실험은 $\nunu_{\mu}$ 퇄소실 실험에서 $\delta(\sin^2 2\theta_{23}) \sim 0.01$ 및 $\delta(\Delta m^2_{23}) \lesssim 10^{-4}$ eV$^2$ 의 정밀도를 달성할 수 있는가?
• RQ2 실험은 $\sin^2 2\theta_{\mu e} \sim 3 \times 10^{-3}$ 수준, 즉 $\sin^2 2\theta_{13} \gtrsim 0.003$ 에 도달할 수 있는가?
• RQ3 중성미자 상호작용를 통한 중성미자 $\nunu_{\mu} \to \nunu_{\tau}$ 진동을 확인할 수 있는가?
• RQ4 큰 혼합 각도 해법에서 $|\delta| \gtrsim 10^\circ - 20^\circ$ 인 경우 실험은 렙톤 영역에서의 CP 위반을 관측할 수 있는가?
• RQ5 20 Mt·year 노출로 인해 $p \to e^+ \pi^0$ 에 대해 $10^{35}$ 년, $p \to \bar{\nu} K^+$ 에 대해 $3 \times 10^{34}$ 년의 양성자 붕괴 감도에 도달할 수 있는가?

주요 결과

• 첫 번째 단계에서 $\nunu_{\mu}$ 퇴색 측정에서 $\delta(\sin^2 2\theta_{23}) \sim 0.01$ 및 $\delta(\Delta m^2_{23}) \lesssim 10^{-4}$ eV$^2$ 의 정밀도를 확보하였다.
• 실험은 $\nue$ 존재 감지에 대해 20배 향상된 민감도를 확보하여 $\sin^2 2\theta_{\mu e} \sim 3 \times 10^{-3}$ 수준에 도달하였다.
• 중성미자 상호작용 이벤트 감지로 인해 $\nunu_{\mu} \to \nunu_{\tau}$ 진동의 확인과 허위 중성미자 탐색이 가능해졌다.
• 20 Mt·year 노출로 인해 $p \to e^+ \pi^0$ 에 대해 $10^{35}$ 년, $p \to \bar{\nu} K^+$ 에 대해 $3 \times 10^{34}$ 년의 양성자 붕괴 감도에 도달하였다.
• 두 번째 단계에서 4 MW 비임과 1,000톤 허브카미오칸데 검출기를 사용하면, $|\delta| \gtrsim 10^\circ - 20^\circ$ 인 경우 CP 위반을 발견할 수 있다.
• $p \to e^+ \pi^0$ 경로를 통한 양성자 붕괴 신호 감지 효율은 17.4%이며, 운동량 균형 컷을 통해 배경가 15배 감소되었다.