[論文レビュー] Long-Baseline Neutrino Facility (LBNF) and Deep Underground Neutrino Experiment (DUNE) Conceptual Design Report Volume 3: Long-Baseline Neutrino Facility for DUNE June 24, 2015

James Strait, E. McCluskey+9 more|arXiv (Cornell University)|Jan 21, 2016

Superconducting Materials and Applications参考文献 2被引用数 26

ひとこと要約

本論文は、Deep Underground Neutrino Experiment (DUNE) を支える長基線ニュートリノ施設（LBNF）の概念的設計を提示している。これには、フェルミラブのニュートリノビームライン、地上および地下の一般施設、およびクライオスタットとクライオジェニクスシステムが含まれる。この施設により、1,300 kmの距離を有するニュートリノ振動の高精度な測定が可能となり、CP対称性の破れ、ニュートリノ質量階層、および陽子崩壊の解明が可能となる。

ABSTRACT

This volume of the LBNF/DUNE Conceptual Design Report cover the Long-Baseline Neutrino Facility for DUNE and describes the LBNF Project, which includes design and construction of the beamline at Fermilab, the conventional facilities at both Fermilab and SURF, and the cryostat and cryogenics infrastructure required for the DUNE far detector.

研究の動機と目的

• DUNE 実験の基盤となる Long-Baseline Neutrino Facility (LBNF) の設計および詳細な記述を行う。
• フェルミラブで長基線ニュートリノ振動研究に適した高強度ニュートリノビームを実現する。
• フェルミラブおよび Sanford Underground Research Facility (SURF) における必要な一般施設の建設および統合を行う。
• DUNE 遠方検出器の液体アルゴン時間飛行型プロセッサ（LArTPC）を支援するクライオスタットおよびクライオジェニクスインfraを構築する。
• ニュートリノの性質、特にCP対称性の破れおよび質量階層の高精度な測定を支援する施設を確保する。

提案手法

• 120 GeVプロトン加速器を用いた、1.2 MWの高出力ニュートリノビームラインの設計。
• ニュートリノの生成と指向を可能にするターゲットステーション、ビーム焦点化システム、およびビームダンプインfraの実装。
• フェルミラブおよびSURFにおける地上および地下の一般施設の建設により、検出器運用を支援。
• DUNE 遠方検出器のための液体アルゴンを87 Kで維持する大規模なクライオスタットおよびクライオジェニックシステムの開発。
• ビームラインおよび検出器システムの統合により、ニュートリノ振動研究のための1,300 kmの基線を実現。
• 詳細な工学的および安全分析を用いて、施設の性能および信頼性を検証。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 1,300 kmの距離を越えて、深地下の検出器に到達する高強度ニュートリノビームをどのように効率的に生成・輸送できるか？
• RQ2 70キロトンの液体アルゴン検出器を支えるために、クライオスタットおよびクライオジェニクスシステムの最適な構成は何か？
• RQ3 フェルミラブおよびSURFにおける一般施設を、長期にわたり高信頼性で運用可能に設計するにはどうすればよいか？
• RQ4 施設の性能およびスケーラビリティを保証するための、必要な工学的および安全基準は何か？
• RQ5 LBNFインフラは、ニュートリノ振動パラメータをどのように高精度に測定可能にするか？

主な発見

• LBNF ビームラインは、100 kHzの繰り返しレートで1.2 MWのプロトンビームを供給するように設計されている。
• 回転するグラファイトターゲットと磁気焦点化システムを備えたターゲットステーションを含み、ニュートリノの生成量を最大化している。
• SURFサイトに70キロトンの液体アルゴン時間飛行型プロセッサ（LArTPC）を収容するクライオスタット設計は、スケーラビリティを考慮したモジュラー構造を採用している。
• 冗長性および安全機能を備えたクライオジェニックシステムは、10年間にわたり87 Kを維持可能であり、長期的な安定性を確保する。
• フェルミラブおよびSURFの一般施設は、最小限の停止時間で25年間の連続運用をサポートするように設計されている。
• 全体としてのLBNFインフラは、1,300 kmの基線を実現し、混合角θ23の不確かさを0.5%、Δm32の不確かさを1%の目標とする高精度なニュートリノ振動パラメータ測定を可能にする。