[논문 리뷰] Long-Baseline Neutrino Facility (LBNF) and Deep Underground Neutrino Experiment (DUNE) Conceptual Design Report Volume 1: The LBNF and DUNE Projects

R. Acciarri, M. A. Acero외 803명|arXiv (Cornell University)|2016. 01. 20.

Neutrino Physics Research인용 수 100

한 줄 요약

이 개념 설계 보고서는 LBNF/DUNE 프로젝트의 합리성, 조직, 일정 및 SURF의 1.2 MW(상향 가능) 광대역 중성미자 빔과 SURF의 4개의 10 kt 액체 아르곤 먼 위치 탐지기용 참조 설계를 제시하며, 약 2032년까지 120 kt·MW·년 노출 및 단계적 프로그램에서 CP 위상/질량 계층성 민감도 달성을 목표로 함.

ABSTRACT

This document presents the Conceptual Design Report (CDR) put forward by an international neutrino community to pursue the Deep Underground Neutrino Experiment at the Long-Baseline Neutrino Facility (LBNF/DUNE), a groundbreaking science experiment for long-baseline neutrino oscillation studies and for neutrino astrophysics and nucleon decay searches. The DUNE far detector will be a very large modular liquid argon time-projection chamber (LArTPC) located deep underground, coupled to the LBNF multi-megawatt wide-band neutrino beam. DUNE will also have a high-resolution and high-precision near detector.

연구 동기 및 목표

• LBNF/DUNE 프로그램을 글로벌 중성미자 노력이 하나의 차세대 장거리 실험으로 수렴시키려는 동기를 부여한다.
• 과학 목표를 정의한다: 렌톤 부문에서의 CP 위반, 중성미자 질량 계층성, 정확한 중성미자 상호작용; 보조 물리학 포함.
• 프로젝트 전략, 시설 설계, 검출기 개념, P5/ESPP 권고를 충족하기 위한 국제 조직 구조를 설명한다.
• 원사이트( SURF)와 인사이드( Fermilab) 건설 및 시연을 조정하는 두 갈래 일정 제시.
• LBNF, DUNE, Fermilab, CERN, 국제 파트너 간의 관리 구조 및 책임을 개략한다.

제안 방법

• 120 kt·MW·년 노출과 CP 위반 감도 벤치마크를 달성하기 위한 과학적 근거와 필요한 성능을 설명한다.
• 단계적 도입으로 활용되는 4개의 10-kt 액체 아르곤 추적 검출기 모듈을 제안한다.
• PIP-II 기반 1.2 MW 작동 및 다메가와트급 전력으로의 업그레이드 가능성을 포함한 빔라인 설계를 개략한다.
• Fermilab 및 SURF의 전통 시설, 냉동/극저온 시스템, 검출기 인프라를 상세히 기술한다.
• 별개 LBNF와 DUNE의 책임이 있는 CERN 구조를 모방한 국제 거버넌스 모델을 채택한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 제안된 LBNF/DUNE 구성 및 빔 전력 변화에 의해 중성미자 질량 계층성 및 delta_CP의 실험적 민감도는 어느 수준으로 달성될 수 있는가?
• RQ2 단계적 도입이 초기 물리 출력과 120 kt·MW·년 노출로의 전반적 일정에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 DUNE 근검출기와 LBNF 빔으로 어떤 보조 측정(중성미자 교차섫, 핵자 구조, 핵 효과 등)이 가능해지는가?
• RQ4 P5/ESPP 권고를 충족하기 위한 빔라인 및 검출기의 최적 구성 및 업그레이드 경로는 무엇인가?
• RQ5 국제 거버넌스와 자금 조달이 건설 및 운영을 지속시키기 위해 어떻게 조직되어야 하는가?

주요 결과

• 프로그램은 P5 권고에 따라 2035년대까지 120 kt·MW·year의 노출을 목표로 한다.
• 다중 메가와트급 전력으로 업그레이드 가능하고 확장을 위한 40 kt LAr 피듀셜까지의 동굴 공간을 가진 1.2 MW 빔 및 지하의 먼 위치 탐지기가 계획되어 있다.
• 먼 위치 탐지기는 4개의 10-kt LArTPC 모듈로 구성되며 단계별 설치를 통해 초기 과학 출력을 가능하게 한다.
• 근처 탐지기는 시스템적 불확실성을 제어하고 민감도를 극대화하기 위한 고해상도 측정을 제공한다.
• DUNE은 질량 계층성 및 CP 위반을 높은 신뢰도로 결정하고, 비가속기 물리(대기, 초신성, 핵자 붕괴) 물리학을 넓게 가능하게 한다.
• Fermilab을 주최로 하고 CERN의 현물 기여를 포함하는 국제 organizational 구조가 LBNF 건설과 DUNE 협력을 조정한다.