[论文解读] Neutrinos from Stored Muons nuSTORM: Expression of Interest

D. Adey, Sanjib Kumar Agarwalla+107 more|arXiv (Cornell University)|May 7, 2013

Neutrino Physics Research参考文献 174被引用 17

一句话总结

nuSTORM 提出在 CERN 建立一个设施，利用储存的缪子产生高强度、校准精确的电子中微子和缪子中微子束流，从而实现中微子-核散射的精密测量以及惰性中微子的搜寻。该项目利用现有的 CERN 基建，包括 SPS 和北区设施，提供一项高精度中微子计划，对推进长基线和短基线振荡实验至关重要，并可减少截面建模中的系统性不确定性。

ABSTRACT

The nuSTORM facility has been designed to deliver beams of electron and muon neutrinos from the decay of a stored muon beam with a central momentum of 3.8 GeV/c and a momentum spread of 10%. The facility is unique in that it will: serve the future long- and short-baseline neutrino-oscillation programmes by providing definitive measurements of electron-neutrino- and muon-neutrino-nucleus cross sections with percent-level precision; allow searches for sterile neutrinos of exquisite sensitivity to be carried out; and constitute the essential first step in the incremental development of muon accelerators as a powerful new technique for particle physics. Of the world's proton-accelerator laboratories, only CERN and FNAL have the infrastructure required to mount nuSTORM. Since no siting decision has yet been taken, the purpose of this Expression of Interest (EoI) is to request the resources required to: investigate in detail how nuSTORM could be implemented at CERN; and develop options for decisive European contributions to the nuSTORM facility and experimental programme wherever the facility is sited. The EoI defines a two-year programme culminating in the delivery of a Technical Design Report.

研究动机与目标

• 在 CERN 利用储存的缪子开发高强度、校准精确的中微子束流，以实现中微子-核散射的精密测量。
• 通过在 CERN 建立一流的中微子计划，支持欧洲粒子物理战略。
• 通过改进中微子截面和末态强子相互作用的知识，减少长基线和短基线中微子振荡实验中的系统性不确定性。
• 设计并评估一套近场探测器，以实现对中微子-核散射的决定性研究。
• 探索缪子冷却实验的可行性，并为缪子储存环和束流诊断系统的设计做出贡献。

提出的方法

• 利用 CERN SPS 从专用靶站提取 100 GeV 或 400 GeV 的质子束流以产生π介子。
• 通过光束线将π介子输运至缪子储存环，使其衰变产生高强度、准直的中微子束流。
• 在储存环中采用大孔径、抗辐射的超导磁体，以实现高效的缪子约束和束流聚焦。
• 利用 SPS 束流结构实施束流诊断，以监测束流解聚和缪子衰变产生的电子本底。
• 对π介子捕获磁体、低温系统以及储存环中的辐射效应开展详细的工程研究。
• 设计一套模块化的近场探测器，专为测量中微子-核截面和搜寻惰性中微子而优化。

实验结果

研究问题

• RQ1 在 CERN 的储存缪子中微子源能否实现精确测量中微子-核散射截面所必需的束流强度与控制？
• RQ2 将现有 CERN 北区设施改造为新型中微子设施面临哪些技术和工程挑战？
• RQ3 如何优化缪子储存环的束流动力学与诊断系统，以最小化本底并最大化中微子产额？
• RQ4 该设施未来用于缪子冷却实验的可行性如何？
• RQ5 CERN 的 CENF 和 LBNO 项目现有设计在多大程度上可被复用于 nuSTORM 设施？

主要发现

• nuSTORM 设施在利用储存缪子产生校准精确的中微子束流方面具有独特优势，可实现对中微子-核散射截面的决定性测量。
• CERN SPS 束流线和北区设施可被有效利用于质子提取和束流输运，从而减少新建基础设施的需求。
• CENF 和 LBNO 项目中现有的靶站与束流线设计为 nuSTORM 的靶站和π介子输运系统提供了坚实基础。
• 对超导磁体、辐射效应和低温系统开展详细工程研究，对确保储存环的性能与寿命至关重要。
• 该设施可支持一套近场探测器，兼顾振荡物理研究与惰性中微子搜寻，探测器设计将通过合作开发。
• 请求 CERN 支持一名 CERN 博士后研究员和一名研究生，参与关键部件的技术设计与评估工作。