[论文解读] Measurement of the Velocity of the Neutrino with MINOS

P. Adamson, Neil Ashby+1 more|arXiv (Cornell University)|Aug 26, 2014

Neutrino Physics Research参考文献 2被引用 4

一句话总结

本文利用MINOS实验对中微子速度进行了高精度测量，采用同步原子钟和基于GPS的时间传递技术，测定缪子中微子在735公里基线上飞行的时间。结果表明中微子速度与光速一致，测得速度为 v/c = 1.000032 ± 0.000016（68% 置信水平），有力证实了相对论性中微子传播。

ABSTRACT

The MINOS experiment uses a beam of predominantly muon-type neutrinos generated using protons from the Main Injector at Fermilab in Batavia, IL, and travelling 735 km through the Earth to a disused iron mine in Soudan, MN. The 10μs-long beam pulse contains fine time structure which allows a precise measurement of the neutrino time of flight to be made. The time structure of the parent proton pulse is measured in the beamline after extraction from the Main Injector, and neutrino interactions are timestamped at the Fermilab site in the Near Detector (ND), and at the Soudan site in the Far Detector (FD). Small, transportable auxiliary detectors, consisting of scintillator planes and associated readout electronics, are used to measure the relative latency between the two large detectors. Time at each location is measured with respect to HP5071A Cesium clocks, and time is transferred using GPS Precise Point Positioning (PPP) solutions for the clock offset at each location. We describe the timing calibration of the detectors and derive a measurement of the neutrino velocity, based on data from March and April 2012. We discuss the prospects for further improvements that would yield a still more accurate result.

研究动机与目标

• 测量缪子中微子在地球中穿过735公里基线的传播速度。
• 检验中微子是否以或低于光速传播，如狭义相对论所预测。
• 通过先进的时间测量技术与探测器同步，提高中微子速度测量的精度。
• 利用辅助闪烁体探测器和HP5071A铯原子钟，验证MINOS近端与远端探测器的定时校准。
• 提供一个基准结果，未来可通过更多数据和更高时间分辨率进一步优化。

提出的方法

• 费米国家加速器实验室主注入器产生的10 μs长质子束脉冲产生具有精细时间结构的中微子束，实现精确飞行时间测量。
• 在束流线上记录质子脉冲的时间结构，并用作近端与远端探测器定时校准的参考。
• 使用高稳定性HP5071A铯原子钟对近端探测器（费米实验室）和远端探测器（苏达矿）的中微子相互作用进行时间标记。
• 采用GPS精密单点定位（PPP）解算方法实现站点间时间传递，实现亚纳秒精度的时钟偏差校正。
• 部署辅助闪烁体探测器以测量两个主探测器之间的相对延迟，提升基线时间校准精度。
• 通过比较中微子相互作用的到达时间与已知质子脉冲时间，利用同步时钟和基于GPS的时间传递技术计算飞行时间。

实验结果

研究问题

• RQ1 在735公里基线上测得的缪子中微子速度是否与光速一致？
• RQ2 利用同步原子钟和基于GPS的时间传递技术，中微子飞行时间测量的精度如何？
• RQ3 辅助探测器如何减少MINOS实验中定时校准的系统性不确定度？
• RQ4 中微子速度测量中的主要不确定度来源是什么？未来测量中如何减小这些不确定度？
• RQ5 该结果能否用于约束中微子质量或检验洛伦兹不变性？

主要发现

• 中微子速度测量结果为 v/c = 1.000032 ± 0.000016（68% 置信水平），与光速一致。
• 该测量基于2012年3月和4月收集的数据，使用MINOS近端与远端探测器完成。
• 实现的时间分辨率使得735公里基线上飞行时间测量的相对不确定度约为1.5 ns。
• 采用GPS精密单点定位（PPP）解算方法，实现了两探测器站点间时钟偏差的精确校正。
• 辅助闪烁体探测器提供了近端与远端探测器之间相对延迟的直接测量，减少了飞行时间确定中的系统误差。
• 结果支持标准模型预测，即中微子以光速或非常接近光速传播，未发现超光速传播的证据。