[논문 리뷰] Neutrinos from Stored Muons (nuSTORM)

L. Alvarez Ruso, T. Alves외 10명|arXiv (Cornell University)|2022. 03. 14.

Muon and positron interactions and applications인용 수 6

한 줄 요약

nuSTORM는 장기적인 정밀도 실험인 DUNE와 Hyper-K를 위한 정밀하게 특성화된 중성자비를 생산하기 위해 고유한 시설을 설계한다. 저장된 뮤온을 이용해 붕괴 생성물을 측정함으로써, 중성자비의 유량 불확도를 1% 미만으로 낮추어, DUNE와 Hyper-K 실험에 확실한 입력을 제공하고, 향후 뮤온 충돌기 개발을 위한 뮤온 이온화 냉각 기술을 발전시킨다.

ABSTRACT

The 2020 Update of the European Strategy for Particle Physics (ESPP) (see https://cds.cern.ch/record/2720129 ) recommended that muon beam R\&D should be considered a high-priority future initiative and that a programme of experimentation be developed to determine the neutrino cross-sections required to extract the most physics from the DUNE and Hyper-K long-baseline experiments. The ENUBET and nuSTORM collaborations have begun to work within and alongside the CERN Physics Beyond Colliders study group and the international Muon Collider collaboration to carry out a joint, five-year R\&D programme to deliver a detailed plan for the implementation of an infrastructure in which: (1) ENUBET and nuSTORM deliver the neutrino cross-section measurement programme identified in the ESPP and allow sensitive searches for physics beyond the Standard Model to be carried out; and in which \ (2) A 6D muon ionisation cooling experiment is delivered as part of the technology development programme defined by the international Muon Collider collaboration. This document summarises the status of development of the nuSTORM and 6D cooling experiments and identifies opportunities for collaboration in the development of the initiative outlined above.

연구 동기 및 목표

• 향후 장거리 기반 실험인 DUNE와 Hyper-K의 물리적 탐색 범위를 극대화하기 위해 정밀한 중성자비 단면적 측정이 필요하다는 점을 해결한다.
• 직접적인 붕괴 생성물 모니터링을 통해 뮤온 빔의 유량 불확도를 약 7%-10%에서 약 1%로 감소시킨다.
• 국제 뮤온 충돌기 협력의 일환으로 6차원 뮤온 이온화 냉각 기술의 기술적 길을 마련한다.
• 정밀하게 알려진 중성자비 빔을 통해 표준모형을 넘어서는 물리 현상의 민감한 탐색을 가능하게 한다.
• DUNE와 Hyper-K에 관련된 300 MeV에서 5.5 GeV의 에너지 범위에서 정밀한 중성자비-핵 반응 프로그램을 제공한다.

제안 방법

• 6 GeV/c 운동량의 뮤온을 ±16% 운동량 분포를 가진 고리에 저장하여 뮤온 붕괴를 통해 잘 정의된 중성자비 빔을 생성한다.
• 저장 고리 내 정밀한 기기들을 사용해 붕괴 생성물(예: 전자, 양전자)을 모니터링하여 중성자비 유량과 에너지 스펙트럼을 고정도로 결정한다.
• 중성자비 에너지를 단일 중성자비 수준에서 약 10% 정밀도로 결정하기 위해 '좁은 대역 비직선 기술'을 활용한다. 이는 상호작용의 진원 위치에 기반한다.
• DUNE와 Hyper-K의 근접 검출기에서 사용하는 첨단 중성자비 검출 기술을 적용하여 고정도 산란 측정을 실현한다.
• 이동선과 굴절부에서의 피오넘 및 뮤온 붕괴와 같은 배경 원인을 모델링하고 억제하며, 5 GeV에서 0.01% 미만, 3 GeV에서 0.03% 미만의 오염을 입증한다.
• 모니터링된 Ke3 붕괴(K⁺→π⁰e⁺νₑ)를 통해 약 1% 정밀도로 νₑ 유량을 직접 측정하며, 뮤온 붕괴 모니터링을 통한 간접적 νₘᵤ 측정과 보완한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 저장된 뮤온 기반 시설이 νₑ 및 νₘᵤ 빔에 대해 1% 미만의 중성자비 유량 불확도를 달성할 수 있는가?
• RQ2 비직선 기하학에서 상호작용의 진원 위치 정보만을 사용해 중성자비 에너지 스펙트럼을 얼마나 정밀하게 결정할 수 있는가?
• RQ3 이동선과 굴절부에서 피오넘 및 뮤온 붕괴로 인한 주요 배경 기여는 무엇이며, 정밀 측정에 영향을 미치지 않게 간주할 수 있는가?
• RQ4 nuSTORM 시설이 300 MeV에서 5.5 GeV의 에너지 범위에서 확실한 중성자비-핵 반응 단면적 측정을 제공할 수 있는가?
• RQ5 이 시설이 향후 뮤온 충돌기 응용을 위한 6차원 뮤온 이온화 냉각 기술 개발을 얼마나 효과적으로 지원할 수 있는가?

주요 결과

• 특히 Ke3 붕괴를 통한 νₑ 측정과 뮤온 붕괴 모니터링을 통한 νₘᵤ 측정을 통해 직접적인 붕괴 생성물 모니터링을 통해 중성자비 유량 불확도가 약 1% 또는 그 이하로 감소한다.
• 비직선 기하학에서 상호작용의 진원 위치 정보만을 사용해 단일 중성자비 수준에서 중성자비 에너지 스펙트럼을 약 10% 정밀도로 결정할 수 있다.
• 이동선에서의 피오넘 및 뮤온 붕괴로 인한 배경 기여는 무시할 만하다: 5 GeV에서 0.01% 미만, 3 GeV에서 0.03% 미만이며, 대부분의 중성자비는 매우 낮은 에너지를 가진다.
• 첫 번째 굴절 영역에서의 붕괴 기여는 최대 약 1% 이하이며, 비드 손실과 붕괴 정지 상태의 지배성으로 인해 실제 수준은 더 낮을 것으로 예상된다.
• 카이온 붕괴의 기여는 낮은 생산 수율과 피오넘 붕괴에 비해 중성자비 수용률에서 유의미한 이점이 없어 무시할 수 있다.
• 이 시설은 DUNE와 Hyper-K에 관심 있는 운동역학적 창을 모두 커버하는 300 MeV에서 5.5 GeV의 전체 범위에서 잘 校정된 중성자비 빔을 제공할 수 있다.