[논문 리뷰] The LBNO long-baseline oscillation sensitivities with two conventional neutrino beams at different baselines

LBNO Collaboration, Sanjib Kumar Agarwalla외 158명|arXiv (Cornell University)|2014. 12. 02.

Neutrino Physics Research참고 문헌 23인용 수 8

한 줄 요약

이 논문은 기존의 CERN 비약선(2300 km)에 더해 프로트비노 IHEP 가속기에서 온 1160 km 기준의 두 번째 전통적 중성미자 비약선을 추가함으로써 장기 기준 중성미자 관측소(LBNO) 실험을 향상시키는 것을 제안한다. 서로 다른 기준 거리에서 작동하는 두 비약선을 통해 단일 비약선의 노출 증가로는 달성할 수 없는 수준을 넘어서 렙톤 영역에서의 CP 위반에 대한 감도를 향상시킬 수 있으며, 10년간의 운영 기간 동안 20 톤급 검출기로는 진짜 δCP 값의 50%에 대해 3σ 감도를 확보하고, 70 톤급 검출기로는 75%에 대해 이를 확보한다.

ABSTRACT

The proposed Long Baseline Neutrino Observatory (LBNO) initially consists of $\sim 20$ kton liquid double phase TPC complemented by a magnetised iron calorimeter, to be installed at the Pyhäsalmi mine, at a distance of 2300 km from CERN. The conventional neutrino beam is produced by 400 GeV protons accelerated at the SPS accelerator delivering 700 kW of power. The long baseline provides a unique opportunity to study neutrino flavour oscillations over their 1st and 2nd oscillation maxima exploring the $L/E$ behaviour, and distinguishing effects arising from $δ_{CP}$ and matter. In this paper we show how this comprehensive physics case can be further enhanced and complemented if a neutrino beam produced at the Protvino IHEP accelerator complex, at a distance of 1160 km, and with modest power of 450 kW is aimed towards the same far detectors. We show that the coupling of two independent sub-MW conventional neutrino and antineutrino beams at different baselines from CERN and Protvino will allow to measure CP violation in the leptonic sector at a confidence level of at least $3σ$ for 50\% of the true values of $δ_{CP}$ with a 20 kton detector. With a far detector of 70 kton, the combination allows a $3σ$ sensitivity for 75\% of the true values of $δ_{CP}$ after 10 years of running. Running two independent neutrino beams, each at a power below 1 MW, is more within today's state of the art than the long-term operation of a new single high-energy multi-MW facility, which has several technical challenges and will likely require a learning curve.

연구 동기 및 목표

• 단일 중성미자 비약선으로는 달성할 수 없는 수준을 넘어서 렙톤 영역에서의 CP 위반 감도를 LBNO 실험에서 향상시키는 것.
• CERN 및 프로트비노에서 온 서로 다른 가속기에서 유래한 두 전통적 중성미자 비약선을 조합함으로써 매개변수의 다중해 문제를 해결하고 진동 측정의 정밀도를 향상시킬 수 있는지 평가하는 것.
• 단일 고출력 다중 MW 시설 대비 두 개의 저출력(1 MW 이하) 비약선을 운영하는 것이 타당하고 유리한지 평가하는 것.
• 전체 매개변수 공간에서 δCP에 대해 3σ 감도를 확보하기 위해 필요한 검출기 크기와 노출 조건을 규명하는 것.

제안 방법

• 연구는 CERN SPS 가속기(400 GeV, 700 kW, 2300 km 기준 거리)와 프로트비노 IHEP 시설(70 GeV, 450 kW, 1160 km 기준 거리)을 사용하여 이중 비약선 구성 모델을 수립한다.
• P2P 비약선(40×10^20 POT)의 통계적 능력을 C2P 비약선 노출 증가에 해당하는 값으로 환산하기 위해 비율 계수를 사용하여, 등가 노출량 7×10^20 POT를 도출한다.
• 이중 비약선 설정의 CP 위반 감도를 동일한 총 POT를 갖는 단일 비약선 시나리오와 비교하기 위해, 피하살미 광산에 위치한 20 톤급 액체 헬륨 검출기(liquid argon detector)를 사용한다.
• 통계적 우월성을 제거하기 위해 C2P에 대해 15×10^20 POT, 단일 비약선 시나리오에 대해 22×10^20 POT의 노출량을 사용한다.
• 체계적 불확실성, 진동 매개변수 사전 확률, 검출기 반응을 고려하여 현실적인 감도 성능을 평가한다.
• 10년간의 운영 기간 동안 20 톤급 및 70 톤급 검출기 구성 모두에 대해 이중 비약선 구성의 성능을 평가한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 서로 다른 기준 거리에서 작동하는 두 전통적 비약선을 갖춘 이중 비약선 구성이, 동일한 총 노출량을 갖는 단일 비약선보다 더 높은 CP 위반 감도를 달성할 수 있는가?
• RQ2 다른 L/E 비율을 갖는 두 비약선의 조합이, 특히 δCP와 질량 계단 구조에 대해 매개변수의 다중해 문제를 어느 정도 해결하는가?
• RQ3 두 저출력 비약선을 사용하여 렙톤 영역에서의 CP 위반에 대해 3σ 감도를 확보하기 위해 필요한 검출기 크기와 비약선 노출 조건은 무엇인가?
• RQ4 이중 비약선 설정의 감도가 노출 증가로 인한 단일 비약선 시설과 비교해 통계적 및 체계적 불확실성 측면에서 어떻게 다를까?
• RQ5 1 MW 이하의 두 독립적 비약선을 운영하는 것이 단일 다중 MW 비약선을 운영하는 것보다 기술적으로 더 타당한가, 그리고 더 뛰어난 물리적 탐색 능력을 제공하는가?

주요 결과

• 20 톤급 검출기를 사용할 경우, 이중 비약선 구성은 10년간의 운영 기간 동안 진짜 δCP 값의 50%에 대해 3σ 감도를 확보한다.
• 70 톤급 검출기를 사용할 경우, 이중 비약선 설정은 진짜 δCP 값의 75%에 대해 3σ 감도를 확보하며, 단일 비약선 성능을 크게 향상시킨다.
• 이중 비약선 구성은 단순히 노출 증가로 인한 통계적 향상 이상의 감도 향상을 달성한다. 이는 서로 다른 L/E 비율을 통해 매개변수의 다중해 문제를 해결할 수 있기 때문이다.
• 이중 비약선 구성이 단일 비약선과 동등한 감도를 확보하기 위해서는 C2P 비약선 노출량을 약 30×10^20 POT로 증가시켜야 하며, 이는 이중 기준 거리 정보의 추가 가치를 확인한다.
• 연구는 두 비약선이 모두 1 MW 이하일 경우 단일 다중 MW 비약선 운영보다 운영 측면에서 더 타당하며, CP 위반과 질량 계단 구조 결정에 대해 더 뛰어난 물리적 탐색 능력을 제공할 수 있음을 확인한다.
• 결과는 비약선, 검출기, 체계적 불확실성에 대한 현실적인 가정 하에서도 유지되며, 향후 장기 기준 실험에서 이중 비약선 접근 방식의 타당성을 뒷받침한다.