[論文レビュー] A New Nuclear Reactor Neutrino Experiment to Measure theta 13

K. Anderson|arXiv (Cornell University)|Feb 26, 2004

Neutrino Physics Research参考文献 32被引用数 35

ひとこと要約

このホワイトペーパーは、原子炉から発生する反ニュートリノの消失を測定することで、ニュートリノ混合角 𝜃₁₃ を測定する、2つの同一の検出器（近接および遠方）を用いた新しい原子炉ニュートリノ実験を提案する。近接および遠方検出器の計数率とスペクトルを比較することで、90%信頼水準（CL）で sin²(2𝜃₁₃) < 0.017 の感度を達成することを目的としており、CHOOZの限界を著しく上回り、将来の加速器ニュートリノ実験におけるCP対称性の破れ研究を可能にする。

ABSTRACT

An International Working Group has been meeting to discuss ideas for a new Nuclear Reactor Neutrino Experiment at meetings in May 2003 (Alabama), October 2003 (Munich) and plans for March 2004 (Niigata). This White Paper Report on the Motivation and Feasibility of such an experiment is the result of these meetings. After a discussion of the context and opportunity for such an experiment, there are sections on detector design, calibration, overburden and backgrounds, systematic errors, other physics, tunneling issues, safety and outreach. There are 7 appendices describing specific site opportunities.

研究の動機と目的

• 反ニュートリノを用いた原子炉ニュートリノ実験により、ニュートリノ混合角 𝜃₁₃ を高精度で測定すること。
• sin²(2𝜃₁₃) に対して上界しか与えなかった過去の実験（例：CHOOZ）の限界を克服すること。
• 同一の検出器ときめ細かいキャリブレーションを用いることで、系統的不確実性を1%未満に低減すること。
• パラメータのデゲネラシーを解消することで、将来の加速器ベースのCP対称性の破れ実験に不可欠な入力となること。
• 長基準距離ニュートリノ振動におけるCP対称性の破れを観測するための前提条件として、𝜃₁₃ の非ゼロ測定を確立すること。

提案手法

• 原子炉コアから115 mの近接および1000 mの遠方の2つの機能的に同一の液体シンチレーション検出器を設置する。
• 近接および遠方検出器における陽電子スペクトルの比を用い、エネルギー依存の反ニュートリノ消失を通じて 𝜃₁₃ を抽出する。
• 系統的不確実性を最小限に抑えるために、スペクトル歪みを比較する「形状」解析法を適用する。
• 全イベント数率の比較を通じて振動パラメータをさらに制約する「レート」解析法を適用する。
• 宇宙線誘発背景を低減するために、検出器を地下深く（例：クラスノヤルスク）に設置する。
• 定期的な原子炉停止中に背景率を測定し、検出器固有の放射能を分離・制御する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 2検出器方式の原子炉ニュートリノ実験は、90%信頼水準で sin²(2𝜃₁₃) が 0.017 未満の感度を達成できるか？
• RQ2 検出器効率、有効体積、エネルギーキャリブレーションに関する系統的不確実性を1%未満にまでどの程度低減できるか？
• RQ3 単一検出器実験に見られる原子炉源依存のバイアスを排除するために、相対的検出器応答をどの程度正確に制御できるか？
• RQ4 加速器データと組み合わせた場合、𝜃₁₃ と他の振動パラメータのデゲネラシーをどの程度解消できるか？
• RQ5 750日間の原子炉運転期間中に遠方検出器で40,000個の反ニュートリノが検出された場合、KR2DET実験の期待感度は何か？

主な発見

• 提案された2検出器方式では、90%信頼水準で sin²(2𝜃₁₃) の上限が 0.017 に達し、CHOOZの上限（0.14）を著しく上回る。
• 系統的不確実性 σ_shape = 0.5% の「形状」解析法は、σ_rate = 0.8% の「レート」解析法よりも高い感度を示す。
• 近接および遠方検出器間の相対測定を用いることで、原子炉源関連の不確実性を低減し、絶対的源モデル依存性を排除する。
• 750日間の原子炉運転期間中に遠方検出器で40,000個の反ニュートリノが検出された場合、90%信頼水準で sin²(2𝜃₁₃) ≈ 0.017 まで 𝜃₁₃ を探査可能である。
• 内部放射能由来の背景は約 0.3/日と推定され、地下深く設置されているため、信号対背景比は良好になると予想される。
• クラスノヤルスクの立地は、原子炉から115 mの15×15 mのホールおよび1000 mの125 mのトンネルを備えており、両方とも検出器設置に適している。