[論文レビュー] European facilities for accelerator neutrino physics: Perspectives for the decade to come

R. Battiston, M. Mezzetto+2 more|arXiv (Cornell University)|Dec 17, 2009

Neutrino Physics Research参考文献 71被引用数 3

ひとこと要約

本論文は、ヨーロッパにおける将来の加速器ニュートリノ物理学戦略を評価し、CERN やグランサッソ国立研究所（LNGS）といった既存インフラを活用して、CP対称性の破れとニュートリノ混合パラメータを研究することに焦点を当てている。θ13の測定値に基づく段階的戦略を提唱する：大きなθ13の場合はCNGSのアップグレード、小さなθ13の場合はベータビークルまたはニュートリノファクトリー施設、長期的目標としてLAr TPCの研究開発を推進し、ヨーロッパの技術的リーダーシップと連携を重視する。

ABSTRACT

Very soon a new generation of reactor and accelerator neutrino oscillation experiments -Double Chooz, Daya Bay, Reno and T2K- will seek for oscillation signals generated by the mixing parameter Î ̧13. The knowledge of this angle is a fundamental milestone to optimize further experiments aimed at detecting CP violation in the neutrino sector. Leptonic CP violation is a key phenomenon that has profound implications in particle physics and cosmology but it is clearly out of reach for the aforementioned experiments. Since late 90s', a world-wide activity is in progress to design facilities that can access CP violation in neutrino oscillation and perform high-precision measurements of the lepton counterpart of the Cabibbo-Kobayashi-Maskawa matrix. In this paper the status of these studies will be summarized, focusing on the options that are best suited to exploit existing European facilities (firstly CERN and the INFN Gran Sasso Laboratories) or technologies where Europe has a world leadership. Similar considerations will be developed in more exotic scenarios -beyond the standard framework of flavor oscillation among three active neutrinos- that might appear plausible in the occurrence of anomalous results from post-MiniBooNE experiments or the CNGS. © Societa Italiana di Fisica.

研究の動機と目的

• 今後のθ13の測定に基づいて、ヨーロッパにおける最適な将来の加速器ニュートリノ物理学施設を特定すること。
• 次世代ニュートリノ実験を支援するために、特にCERNとLNGSを含む既存ヨーロッパインフラの最大限の活用を図ること。
• θ13の異なる状況下での実験的手法（CNGS、ベータビークル、ニュートリノファクトリー、LAr TPC）の実現可能性と物理学的ポテンシャルを評価すること。
• ミニブーンとLSNDの異常を踏まえた非標準的物理学の機会を検討すること。
• ヨーロッパにおける素粒子物理学、核物理学、検出器技術開発の間の連携を促進すること。

提案手法

• CNGSの専用モードにおけるνµ →νeの出現を、物質効果が小さい条件下で、コサイン依存のCP位相感度を有する物理学的ポテンシャルを分析する。
• 高Qの放射性イオンを用いたSPSベースのベータビークルを評価し、中エネルギーのニュートリノ源としての役割を果たし、θ13とCPの研究に寄与する。
• CERNまたはRALに位置するニュートリノファクトリーを提唱し、混合パラメータの高精度測定のための究極の施設とする。
• 液体アルゴンタイムプロジェクションチェンバー（LAr TPC）が、νeおよびντの出現を高精度で検出する役割を評価する。
• 既存のビームライン（例：CERN-PS）を活用し、アップグレードされたLAr検出器を用いてミニブーンとLSNDの異常を検証する。
• θ13の異なる値が実験戦略に与える影響をモデル化し、検出器のサイズ、ベースライン、ビーム強度の要件を含む。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 測定されたθ13の値に基づいて、ニュートリノ系におけるCP対称性の破れを測定する最適な実験戦略は何か？
• RQ2 CERN や LNGS といった既存ヨーロッパ施設を、将来のニュートリノ振動実験を支援するために、どのように最も効果的に再利用またはアップグレードできるか？
• RQ3 CNGSをピーク時以外の運転で使用することで、T2K や NOvA と比較して、CP位相測定にどのような物理学的利点があるか？
• RQ4 θ13が小さい場合に、ベータビークルまたはニュートリノファクトリー施設が、δと質量階層を測定するのに必要な精度を提供できるか？
• RQ5 液体アルゴン検出器技術は、ミニブーンとLSNDの異常を解明するのと、将来の長基線実験においてどのような役割を果たすか？

主な発見

• θ13が大きい（>8°）場合、高分解能の検出器を用いた専用CNGS実験により、T2Kとは独立してCP位相を測定可能であり、sinδではなくcosδに感度を持つとともに、物質効果が低減される。
• θ13が小さい場合、CERNのSPSベースのベータビークルを用いたνµ →νeの出現実験が可能となり、LNGSに高密度鉄カルシウム器を設置することで、既存の核物理学研究開発を活用できる。
• CERNまたはRALに位置するニュートリノファクトリーは、δとニュートリノ質量階層の測定において最高の精度を提供するが、2020年以降に実現される見込みである。
• LNGSに20 ktonの液体アルゴン検出器を設置すれば、物質効果を観測することでT2KやNOvAを補完し、ニュートリノ質量階層を特定できる。
• ベータビークルやニュートリノファクトリーがなければ、θ13が小さい状況下でLNGSのホールは未利用に近い。100 ktonのLAr TPCの積極的R&Dが長期的代替案として提案されている。
• CNGS実験がντの電荷反応を直接検出できる能力は、標準的3ニュートリノフレームワークの主要な妥当性確認ステップのままである。