[논문 리뷰] The use of a high intensity neutrino beam from the ESS proton linac for measurement of neutrino CP violation and mass hierarchy

E. Baussan, M. Dracos외 4명|arXiv (Cornell University)|2012. 12. 20.

Neutrino Physics Research참고 문헌 8인용 수 19

한 줄 요약

이 논문은 스웨덴 룬드에서 건설 중인 유럽 산란원자소스(ESS) 양성자 라인액을 활용하여 중성자 생성과 동시에 고강도 5 MW 중성자비임계를 생성할 수 있음을 제안한다. 400 km의 기준거리에 거대한 물 체렌코프 검출기를 설치함으로써, 8년간의 반중성자 및 2년간의 중성자 운행을 통해 δ 위상공간의 48% 범위에서 CP 위반을 5σ 수준으로 발견할 수 있으며, 대부분의 δ 범위에서 질량 계ergy는 3σ 수준에서 결정될 수 있다.

ABSTRACT

It is proposed to complement the ESS proton linac with equipment that would enable the production, concurrently with the production of the planned ESS beam used for neutron production, of a 5 MW beam of 10$^{23}$ 2.5 GeV protons per year in microsecond short pulses to produce a neutrino Super Beam, and to install a megaton underground water Cherenkov detector in a mine to detect $ν_e$ appearance in the produced $ν_μ$ beam. Results are presented of preliminary calculations of the sensitivity to neutrino CP violation and the mass hierarchy as a function of the neutrino baseline. The results indicate that, with 8 years of data taking with an antineutrino beam and 2 years with a neutrino beam and a baseline distance of around 400 km, CP violation could be discovered at 5 $σ$ (3 $σ$) confidence level in 48% (73%) of the total CP violation angular range. With the same baseline, the neutrino mass hierarchy could be determined at 3 $σ$ level over most of the total CP violation angular range. There are several underground mines with a depth of more than 1000 m, which could be used for the creation of the underground site for the neutrino detector and which are situated within or near the optimal baseline range.

연구 동기 및 목표

• ESS 양성자 라인액을 활용해 정밀 측정을 위한 CP 위반과 중성자비 질량 계ergy를 연구할 수 있는지 탐색하기.
• 중성자 부문에서의 CP 위반 감도를 극대화하기 위해 최적의 기준거리 거리를 결정하기.
• 심지어 지하 광산에 설치된 거대한 톤 수준의 물 체렌코프 검출기가 νₑ의 출현을 νₘu 비임계에서 탐지할 잠재력을 평가하기.
• ESS 시설을 동시에 중성자와 중성비를 생산하도록 개조하는 데 있어 비용 효율성과 기술 실현 가능성 평가하기.
• 유럽 내 ESS에 가까운 깊이(1000 m 이상)를 지닌 적합한 지하 광산을 식별하여 거대한 중성자비 검출기를 설치할 수 있는지 확인하기.

제안 방법

• 기존의 2.5 GeV ESS 양성자 라인액을 활용하여 중성자 생성을 위해 5 MW로 운용되며, 同시에 H⁻ 이온을 가속하여 5 MW의 양성자 비임계를 생성하기.
• 양성자 빔 펄스 간격인 70 ms 동안 H⁻ 이온 펄스를 라인액에 주입하고, 축적 고리에서 전자를 탈리시켜 비임계를 마이크로초 펄스로 압축하여 중성자비 목표로 주입하기.
• 중성자비 뿌리기 소용을 사용하여 목표에서 생성된 파이온을 앞으로 향하는 비임계로 집중시키고, 20 m의 붕괴 터널에서 무거운 중성자비로 붕괴시키기.
• 몬테카를로 방법을 사용하여 비임계 에너지, 기준거리 거리, 검출기 반응을 고려한 νₘu → νₑ 진동 확률을 시뮬레이션하기.
• 우주선 배경을 억제하기 위해 최소 1000 m 지하(3000 m 수준의 수압)에 위치한 거대한 톤 수준의 물 체렌코프 검출기 설계하기.
• CP 위반과 질량 계ergy 감도를 전체 δ 위상공간 범위에서 통계적 유의성(5σ 및 3σ)을 사용하여 평가하기.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 중성자 부문에서의 CP 위반 감도를 극대화하기 위해 ESS 중성자비 원천과 먼 검출기 사이의 최적 기준거리 거리는 얼마인가?
• RQ2 ESS 양성자 라인액이 기존의 중성자 생성 임무를 수행하면서도 동시에 5 MW 중성자비임계를 생산하도록 개조될 수 있는가?
• RQ3 400 km 기준거리에서 8년간의 반중성자 및 2년간의 중성자 운행을 통해 전체 δ 위상공간의 몇 퍼센트 범위에서 5σ 유의성으로 CP 위반을 탐지할 수 있는가?
• RQ4 이 설정을 통해 전체 δ 범위에서 질량 계ergy는 3σ 신뢰수준에서 얼마나 정확하게 결정될 수 있는가?
• RQ5 유럽 내 기존 또는 재활성화 가능한 지하 광산 중에서 깊이(1000 m 이상)와 ESS에의 접근성 측면에서 거대한 중성자비 검출기를 설치하기에 적합한 곳은 어디인가?

주요 결과

• 400 km 기준거리에서 8년간의 반중성자 및 2년간의 중성자 운행을 통해 전체 δ 위상공간의 48% 범위에서 CP 위반을 5σ 수준으로 발견할 수 있으며, 73% 범위에서는 3σ 수준에서 발견 가능하다.
• 동일한 400 km 기준거리와 데이터 수집 전략을 사용함으로써, 추가 최적화 없이도 대부분의 δ 위상공간에서 질량 계ergy를 3σ 수준에서 결정할 수 있다.
• CP 위반 감도를 극대화하기 위한 최적 기준거리 범위는 200 km에서 550 km 사이이며, 오스카르샴누, 징크그루반, 가르펜베르그 광산이 주요 후보지로 지목되었다.
• H⁻ 소스, 5 MW 라디오파워, 축적 고리, 중성자비 목표를 추가하는 ESS 라인액의 제안된 개조는 추가 비용을 최소화하면서도 동시에 중성자비와 중성자를 생산할 수 있도록 한다.
• 스웨덴과 핀란드의 여러 깊은 광산(예: 1100 m 깊이의 징크그루반, ESS에서 365 km 떨어져 있음; 1440 m 깊이의 피시알미, ESS에서 1140 km 떨어져 있음)은 깊이와 접근성 덕분에 검출기 설치에 적합하다.
• 약 650,000 m³의 검출기 부피는 기존 인프라(예: 운반 샤프트)가 확보되어 있을 경우 약 100 MEUR의 굴착 및 라이닝 비용이 소요된다.