[论文解读] DUSEL Theory White Paper

Stuart Raby, Trent Walker+29 more|ArXiv.org|Oct 24, 2008

Astrophysics and Cosmic Phenomena被引用 15

一句话总结

本白皮书提议在南达科他州霍姆斯特克建设一个大规模、多用途的深地科学与工程实验室（DUSEL），配备100万吨级水切伦科夫探测器和一条垂直1公里深的竖井，用于探测质子衰变、中微子振荡、暗物质以及中子-反中子（n–n̄）振荡。所提议的n–n̄实验利用3.5兆瓦TRIGA反应堆和超镜面中子导管，有望将灵敏度提升至当前极限的1,000倍，可能探测到重子数破坏现象，并探索镜像物质暗物质。

ABSTRACT

The NSF has chosen the site for the Deep Underground Science and Engineering Laboratory (DUSEL) to be in Lead, South Dakota. In fact, the state of South Dakota has already stepped up to the plate and contributed its own funding for the proposed lab, see http://www.sanfordlaboratoryathomestake.org/index.html. The final decision by NSF for funding the Initial Suite of Experiments for DUSEL will be made early in 2009. At that time the NSF Science Board must make a decision. Of order 200 experimentalists have already expressed an interest in performing experiments at DUSEL. In order to assess the interest of the theoretical community, the Center for Cosmology and Astro-Particle Physics (CCAPP) at The Ohio State University (OSU) organized a 3-day DUSEL Theory Workshop in Columbus, Ohio from April 4 - 6, 2008. The workshop focused on the scientific case for six proposed experiments for DUSEL: long baseline neutrino oscillations, proton decay, dark matter, astrophysical neutrinos, neutrinoless double beta decay and N-Nbar oscillations. The outcome of this workshop is the DUSEL Theory White paper addressing the scientific case at a level which may be useful in the decision making process for policy makers at the NSF and in the U.S. Congress. In order to assess the physics interest in the DUSEL project we have posted the DUSEL Theory White paper on the following CCAPP link http://ccapp.osu.edu/whitepaper.html . Please read the white paper and, if you are interested, use the link to show your support by co-signing the white paper.

研究动机与目标

• 在霍姆斯特克建立DUSEL，使其成为测试标准模型之外基础物理的顶尖地下实验室。
• 解决中微子物理学中的未解问题，包括CP破坏、中微子质量顺序和振荡参数。
• 通过质子衰变作为大统一理论（GUT）的标志性现象，开展探测。
• 探测暗物质候选者，包括镜像物质和超对称粒子。
• 检验中子-反中子（n–n̄）振荡的存在，该现象是重子数破坏的标志，也是探索新物理和暗物质的潜在窗口。

提出的方法

• 利用一条1公里深的竖井，配备真空管道和磁场补偿，将来自3.5兆瓦TRIGA反应堆的极冷中子引导至地下。
• 采用超镜面反射器将中子聚焦至竖井底部，并通过检测其在底部的湮灭事件作为n–n̄振荡的信号。
• 实施主动磁屏蔽，以实现n–n̄跃迁的开启/关闭，用于确认结果。
• 使用低温液态氘慢化剂，将中子速度降至每秒1公里以下，以提高探测效率。
• 利用长基线和低本底环境，实现对罕见过程的高灵敏度探测。
• 将探测器与长基线中微子束流（例如费米实验室的束流）集成，用于研究中微子振荡和CP破坏。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否以约10³⁵年的灵敏度（如某些大统一理论和镜像物质模型所预测）观测到中子-反中子振荡？
• RQ2 重子数破坏在早期宇宙物质-反物质不对称性生成过程中起什么作用？
• RQ3 DUSEL处的大型百万吨级水切伦科夫探测器能否以高精度测量中微子振荡参数，包括CP破坏和质量顺序？
• RQ4 n–n̄振荡如何与镜像中子或最轻超对称粒子等暗物质候选者相联系？
• RQ5 与水平设计相比，垂直n–n̄实验在减轻冷中子在长路径飞行中受重力影响方面的可行性与灵敏度如何？

主要发现

• 所提议的DUSEL垂直n–n̄实验相比当前实验极限，灵敏度提升超过1,000倍，预计可达到约1×10³⁵年的寿命灵敏度。
• 经过三年运行，n–n̄振荡时间灵敏度预计可提升1,000倍，若运行12年，还可额外提升4倍。
• 3.5兆瓦TRIGA反应堆产生的反中微子通量估计为每千吨·年约62个，作为地球中微子和中微子实验的可控背景是可管理的。
• n–n̄探测器的本底率预计极低，单个观测事件即可构成潜在的发现信号。
• 采用竖井设计可有效减轻冷中子在长路径飞行中受重力的影响，显著提升探测保真度。
• 该实验基于成熟技术，主要挑战在于竖井基础设施的工程设计与施工。