[论文解读] Long-Baseline Neutrino Facility (LBNF) and Deep Underground Neutrino Experiment (DUNE)

R. Acciarri, S. Bansal+799 more|arXiv (Cornell University)|Jan 12, 2016

Neutrino Physics Research被引用 221

一句话总结

LBNF/DUNE 实验提出了一项利用多兆瓦宽谱中微子束和大型地下液氩时间投影室（LArTPC）远端探测器，结合高精度近端探测器的长基线中微子振荡研究，以前所未有的灵敏度和分辨率探测中微子性质，包括CP破坏、质量顺序和核子衰变。

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.

研究动机与目标

• 通过长基线中微子振荡测量研究中微子的基本性质，包括质量顺序和CP破坏。
• 利用大型地下液氩时间投影室搜索质子衰变。
• 通过近端探测器系统以高分辨率和高精度研究中微子相互作用。
• 通过探测来自宇宙源和超新星的中微子，推动中微子天体物理学的发展。
• 通过国际合作建立世界领先的中微子科学设施。

提出的方法

• 实验利用费米实验室产生的多兆瓦宽谱中微子束，定向射向深埋地下的远端探测器。
• 远端探测器为模块化液氩时间投影室（LArTPC），旨在对中微子相互作用产生的带电粒子实现高分辨率轨迹和能量测量。
• 在束流源附近部署高精度近端探测器系统，以高精度测量初始中微子通量和能谱。
• LArTPC技术可实现对粒子轨迹和能量沉积的详细重建，从而增强对稀有过程的探测灵敏度。
• 实验采用先进的数据获取和分析技术，以提取振荡参数并搜索新物理。
• 地下位置可有效抑制宇宙射线背景，从而提高对稀有事件（如核子衰变）的信噪比。

实验结果

研究问题

• RQ1 中微子质量顺序是什么？能否利用长基线振荡数据以高置信度确定？
• RQ2 中微子扇区是否存在CP破坏？若存在，其大小如何？
• RQ3 DUNE实验对质子衰变的探测灵敏度如何？与以往实验相比有何差异？
• RQ4 利用液氩探测器能多精确地测量中微子相互作用截面？
• RQ5 DUNE探测器中可能观测到的天体物理中微子和超新星中微子的信号特征是什么？

主要发现

• 基于液氩时间投影室技术的DUNE远端探测器实现了对中微子相互作用的高空间分辨率和高能量分辨率，可实现精确重建。
• 该实验设计可在假设标准振荡参数的前提下，以超过5σ的显著性确定中微子质量顺序。
• 与以往实验相比，该实验对中微子扇区CP破坏的探测灵敏度将显著提升，对大CP破坏相位的发现潜力超过5σ。
• 预计核子衰变搜索的探测灵敏度可达到约10^35年的质子寿命极限，比以往实验高出一个数量级。
• 近端探测器系统可精确测量初始中微子通量，从而降低振荡参数提取中的系统不确定性。
• 地下位置和探测器设计可有效抑制宇宙射线背景，从而实现对稀有事件（如质子衰变和超新星中微子）的探测。