[論文レビュー] A new search for anomalous neutrino oscillations at the CERN-PS

B. Baibussinov, E. Calligarich+6 more|ArXiv.org|Sep 2, 2009

Neutrino Physics Research参考文献 6被引用数 10

ひとこと要約

本論文は、CERN-PSで二つの同一の液体アルゴンタイムプロジェクションチェンバー（LAr-TPC）を127 m（近接）および850 m（遠方）に設置する新規実験を提案し、異常なニュートリノ振動、特にLSNDの異常を探索する。600トンの有効質量と2年間で約10^6件の荷電-currentイベントが期待され、高解像度のイメージングと優れた電子-パイゼロの識別能力により、中性荷電-current背景を完全に排除できる。これにより、最小限の系統的不確実性でLSND信号の決定的検証が可能となる。

ABSTRACT

The LSND experiment has observed a 3.8 sigma excess of anti-nu_e events from an anti-nu_mu beam coming from pions at rest. If confirmed, the LSND anomaly would imply new physics beyond the standard model, presumably in the form of some additional sterile neutrinos. The MiniBooNE experiment at FNAL-Booster has further searched for the LSND anomaly. Above 475 MeV, the nu_e result is excluding the LSND anomaly to about 1.6 sigma but it introduces an unexplained, new 3.0 sigma anomaly at lower energies, down to 200 MeV. The nu_e data have so far an insufficient statistics to be conclusive with LSND's anti-nu_e. The present proposal at the CERN-PS is based on two strictly identical LAr-TPC detectors in the near and far positions, respectively at 127 and 850 m from the neutrino (or antineutrino) target and focussing horn, observing the electron-neutrino signal. This project will benefit from the already developed technology of ICARUS T600, well tested on surface in Pavia, without the need of any major R&D activity and without the added problems of an underground experiment (CNGS-2). The superior quality of the Liquid Argon imaging TPC and its unique electron - pi-zero discrimination allow full rejection of the NC background, without efficiency loss for electron neutrino detection. In two years of exposure, the far detector mass of 600 tons and a reasonable utilization of the CERN-PS with the refurbished previous TT7 beam line will allow to collect about 10^6 charged current events, largely adequate to settle definitely the LSND anomaly.

研究の動機と目的

• 標準模型を超える異常な反ニュートリノ振動を示唆するLSNDの異常を、決定的に検証すること。
• LSND（3.8σの過剰）とMiniBooNE（低エネルギー域で3.0σの異常）の矛盾する結果を、高精度な測定によって解消すること。
• 液体アルゴンタイムプロジェクションチェンバー（LAr-TPC）を用いて、優れた電子-パイゼロの識別能力とバックグラウンドの完全排除を実現すること。
• CERN-PSビームから127 mおよび850 mの距離に近接・遠方検出器を設置し、ニュートリノ振動を高感度で探査すること。
• 既存のICARUS T600技術を活用し、新たな研究開発を回避し、地下設置に伴うリスクを最小限に抑えること。

提案手法

• CERN-PSのニュートリノ標的およびフォーカスヘーンから127 m（近接）および850 m（遠方）の距離に、同一のLAr-TPC検出器を設置する。
• Paviaでの地上試験で既に検証済みのwell-testedなICARUS T600技術を活用し、信頼性を確保するとともに開発リスクを低減する。
• LAr-TPCが有する高い空間分解能およびエネルギー分解能を活かし、特に中性荷電-currentプロセスを含むバックグラウンドから電子ニュートリノイベントを明確に識別する。
• 精密な電子-パイゼロの識別を適用し、中性荷電-currentバックグラウンドを効果的に排除しつつ、電子ニュートリノ検出効率を損なわない。
• 改装済みのTT7ビームラインを用いて実験を実施し、安定的かつ良好に特徴付けられたニュートリノビームを確保する。
• 2年間の照射で、遠方検出器の600トンの有効質量に対して約10^6件の荷電-currentイベントを収集する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 LSNDの異常—反ニュートリノ_eイベントの3.8σの過剰—は、CERN-PSで新規実験を実施することで、より高い精度で確認可能か、または除外可能か？
• RQ2 MiniBooNEの低エネルギー域（200–475 MeV）で観測された未解明の3.0σの異常は、実際の信号であるのか、統計的ゆらぎに過ぎないのか？
• RQ3 LAr-TPC技術は、電子ニュートリノ検出効率を損なわず、中性荷電-currentバックグラウンドを完全に排除できるか？
• RQ4 LSND信号は、標準模型の3つの活性なニュートリノフレーバーを超えるステルラーニュートリノの存在と整合性を示しているか？
• RQ5 850 mに600トンの有効質量を持つ近接・遠方検出器構成により、LSNDとMiniBooNEの結果の矛盾を解消できるか？

主な発見

• 提案された実験では、遠方検出器の600トンの有効質量を用い、2年間の運用で約10^6件の荷電-currentイベントを収集できると予想される。
• LAr-TPC技術により、優れた電子-パイゼロの識別能力のおかげで、中性荷電-currentバックグラウンドを完全に排除でき、電子ニュートリノ検出効率に損失がない。
• 既存のICARUS T600技術を活用することで、新たな研究開発の必要がなく、地下設置に伴う課題を回避できる。
• 実験は、高い統計的有意性と最小限の系統的不確実性でLSNDの異常を決定的に解消することを目的として設計されている。
• 127 mおよび850 mの近接・遠方検出器構成により、特に短基準長の異常に対して最適な感度が得られる。
• CERN-PSのビーム、改装済みのTT7ラインを活用することで、安定的かつ良好に特徴付けられたニュートリノ源が保証される。