[논문 리뷰] Hyper-Kamiokande Design Report

KE. Abe|Lancaster EPrints (Lancaster University)|2018. 05. 09.

Neutrino Physics Research참고 문헌 10인용 수 430

한 줄 요약

Hyper-Kamiokande는 일본의 차세대 대형 수 Cherenkov 검출기로, 장거리 중성미자 진동, 양성자 붕괴 탐색, 대기 및 천체 중성미자를 위해 설계되었으며, 한국에 두 번째 검출기 설치가 검토 중이다.

ABSTRACT

On the strength of a double Nobel prize winning experiment (Super)Kamiokande and an extremely successful long baseline neutrino programme, the third generation Water Cherenkov detector, Hyper-Kamiokande, is being developed by an international collaboration as a leading worldwide experiment based in Japan. The Hyper-Kamiokande detector will be hosted in the Tochibora mine, about 295 km away from the J-PARC proton accelerator research complex in Tokai, Japan. The currently existing accelerator will be steadily upgraded to reach a MW beam by the start of the experiment. A suite of near detectors will be vital to constrain the beam for neutrino oscillation measurements. A new cavern will be excavated at the Tochibora mine to host the detector. The experiment will be the largest underground water Cherenkov detector in the world and will be instrumented with new technology photosensors, faster and with higher quantum efficiency than the ones in Super-Kamiokande. The science that will be developed will be able to shape the future theoretical framework and generations of experiments. Hyper-Kamiokande will be able to measure with the highest precision the leptonic CP violation that could explain the baryon asymmetry in the Universe. The experiment also has a demonstrated excellent capability to search for proton decay, providing a significant improvement in discovery sensitivity over current searches for the proton lifetime. The atmospheric neutrinos will allow to determine the neutrino mass ordering and, together with the beam, able to precisely test the three-flavour neutrino oscillation paradigm and search for new phenomena. A strong astrophysical programme will be carried out at the experiment that will detect supernova neutrinos and will measure precisely solar neutrino oscillation.

연구 동기 및 목표

• Super-Kamiokande와 T2K를 기반으로 중성미자 진동, CP 위반, 핵자 붕괴 및 천체 중성미자를 다루기 위한 더 크고 더 민감한 수 Cherenkov 검출기의 구축 의욕화.
• 실험 구성은 J-PARC 빔, 근측/중간 검출기, 검출 동굴, 탱크 설계, 물 시스템 및 광센서(내부/외부 검출기)를 포함하여 설명한다.
• Hyper-Kamiokande를 위한 소프트웨어, 보정, 배경 추정 및 컴퓨팅 필요성을 개요한다.
• 가속기 기반, 대기, 태양 및 천체 중성미자를 포함한 물리적 가능성과 한국의 가능한 두 번째 검출기 및 일본의 추가 두 번째 탱크 옵션을 제시한다.

제안 방법

• 두 개의 원통형 탱크(높이 60 m, 직경 74 m)를 40% 광커버리지를 갖고 배치하는 설계를 제안한다.
• MW급에 달하는 업그레이드된 J-PARC 빔을 근측 검출기(ND280 계열, 중간 검출기) 및 오프-축 빔 구성과 통합한다.
• 동굴, 물 정화/순환, 광센서(내부/외부 검출기), 전자기계, DAQ, 보정 및 소프트웨어(WCSim, FiTQun, BONSAI)를 포함한 전체 검출기 인프라를 개발한다.
• 시뮬레이션 및 데이터 처리에 필요한 배경(라돈, 뮈온 스팔레이션, 중성자)과 컴퓨팅 필요성을 평가한다.
• 뉴클리어 디케이 및 관련 채널(예: p→e+π0, p→ν̄K+)에서의 질량 붕당 및 노출 시간 1.9 Mton·years에서의 초과 감지를 포함한 물리적 도달 범위를 제공한다.
• 최대의 물리 출력을 얻기 위한 T2K, Super-K, DUNE과의 시너지를 논의한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 Hyper-Kamiokande가 1.3 MW 빔 및 2.5도 오프-축 구성에서 10년 동안 leptonic CP 위반에 대해 어떤 민감도를 달성할 수 있는가?
• RQ2 Hyper-Kamiokande가 빔과 대기를 결합한 데이터로 질량 순서를 결정하고 θ23 및 Δm^2_32를 정교하게 정의할 수 있는가?
• RQ3 핵자 붕괴 채널(p→e+π0, p→ν̄K+)에서 Hyper-Kamiokande가 예측하는 생존 주기를 얼마나 탐지할 수 있는가?
• RQ4 Solar, supernova, relic 및 기타 천체 물리학적 중성미자 소스 관측에서의 성능은 어떠하며 새로운 물리학 제약은 어느 정도인가?
• RQ5 한국의 두 번째 검출기 및 추가 탱크의 설계 및 성능 요건은 어떻게 되는가?

주요 결과

• Hyper-Kamiokande는 가정된 매개변수에 대해 대부분의 δCP 값에서 23도 이하의 정밀도로 δCP를 결정하는 것을 목표로 한다.
• 주어진 조건에서 δCP 공간의 76%에서 CP 위반에 대한 >3σ 증거, 57%에서 >5σ를 예측한다.
• 초점 채널(p→e+π0, p→ν̄K+)에 대한 예측 수명은 1.9 Mton·years 노출에서 대략 10^34–10^35년 수준에 도달한다.
• 대기 및 빔+대기 분석에 대한 연간 민감도가 10년 동안 질량 순서 결정 및 θ23 옥탄 분해 해상도를 향상시킬 것으로 보인다.
• 천체 물리학 중성미자 프로그램에는 태양 중성미자, 초신성 중성미자, 잔류 초신성 중성미자 및 WIMP 관련 신호가 포함되며, Hyper-Kamiokande의 낮은 에너지 임계값과 큰 표적 질량을 활용한다.