[論文レビュー] Proposal: A Search for Sterile Neutrino at J-PARC Materials and Life Science Experimental Facility

Masahide Harada, S. Hasegawa+26 more|arXiv (Cornell University)|Oct 5, 2013

Neutrino Physics Research参考文献 7被引用数 27

ひとこと要約

本論文は、J-PARCの物質・ライフサイエンス実験施設（MLF）におけるミューオンの静止状態崩壊（DAR）ニュートリノビームを用いて、$\bar{\nu}_\mu \to \bar{\nu}_e$ 遷移を介したステルラーニュートリノの探索を提案する。実験は、パルス型陽子ビームを用いて、$\mu^+$ の崩壊から高強度かつ良好にキャリブレーションされた $\bar{\nu}_\mu$ を生成し、逆ベータ崩壊（$\bar{\nu}_e + p \to e^+ + n$）による検出と中性子捕獲ガンマ線タグを実施する。主な貢献は、$\Delta m^2 \to 1~\text{eV}^2$ の領域を高感度・低バックグラウンドで探査する手法であり、将来的に長基準距離の遠方検出器を用いて $1~\text{eV}^2$ 未満の領域へ拡張可能である。

ABSTRACT

We propose a definite search for sterile neutrinos at the J-PARC Materials and Life Science Experimental Facility (MLF). With the 3 GeV Rapid Cycling Synchrotron (RCS) and spallation neutron target, an intense neutrino beam from muon decay at rest (DAR) is available. Neutrinos come from μ+ decay, and the oscillation to be searched for is (anti νμ-> anti νe) which is detected by the inverse βdecay interaction (anti νe + p -> e+ + n), followed by a gamma from neutron capture. The unique features of the proposed experiment, compared with the LSND and experiments using horn focused beams, are; (1) The pulsed beam with about 600 ns spill width from J-PARC RCS and muon long lifetime allow us to select neutrinos from μDAR only. (2) Due to nuclear absorption of π- and μ-, neutrinos from μ- decay are suppressed to about the $10^{-3}$ level. (3) Neutrino cross sections are well known. The inverse βdecay cross section is known to be a few percent accuracy. (4) The neutrino energy can be calculated from positron energy by adding ~1.8 MeV. (5) The anti νμand νe fluxes have different and well defined spectra. This allows us to separate oscillated signals from those due to μ- decay contamination. We propose to proceed with the oscillation search in steps since the region of Δm^2 to be searched can be anywhere between sub-eV^2 to several tens of eV^2. We start to examine the large Δm^2 region, which can be done with short baseline at first. At close distance to the MLF target gives a high neutrino flux, and allows us to use relatively small detector. If no definitive positive signal is found, a future option exists to cover small Δm^2 region. This needs a relatively long baseline and requires a large detector to compensate for the reduced neutrino flux.

研究の動機と目的

• 過去の実験で示された異常が示唆する領域である $\Delta m^2 \sim 1~\text{eV}^2$ をターゲットに、$\bar{\nu}_\mu \to \bar{\nu}_e$ 遷移を用いたステルラーニュートリノの探索を目的とする。
• J-PARC MLFにおける特徴的なパルスビームと長いミューオン寿命を活用し、静止状態の $\mu^+$ 崩壊からクリアな $\bar{\nu}_\mu$ ビームを生成することで、パイオン・カイオンの崩壊飛行成分に起因するバックグラウンドを最小限に抑える。
• 正確なタイミングと位置分解能を持つセグメント化された液体シンチレーター検出器を用いることで、即時的ポジトロンと遅延した中性子捕獲信号を識別し、高感度を達成する。
• 近接・遠方検出器のシステムティック不確実性キャンセレーションを活用することで、将来的な長基準距離遠方検出器を用いた、$\Delta m^2$ のより低い領域への拡張を可能にする。
• $\mu^-$ 崩壊および宇宙線由来のバックグラウンドを、ビームゲーティング、空間的遮断、中性子自己遮蔽を用いて低減する。

提案手法

• J-PARCの3 GeV急速サイクリングシンクロトロン（RCS）を用い、約600 nsのスパイル幅を持つパルス型陽子ビームを生成し、$\mu^+$ の静止状態崩壊（DAR）ニュートリノの選択的ゲーティングを可能にする。
• $\mu^+ \to e^+ + \bar{\nu}_\mu + \nu_e$ による崩壊から、主に $\bar{\nu}_\mu$ と $\nu_e$ のビームを生成し、核吸収により $\pi^-$ および $\mu^-$ 由来のニュートリノを $\sim 10^{-3}$ 水準まで抑制する。
• 逆ベータ崩壊 $\bar{\nu}_e + p \to e^+ + n$ を用いて $\bar{\nu}_e$ を検出し、その後に中性子が陽子上で捕獲され、遅延した $\gamma$ 信号を発生させる。
• 即時的ポジトロンと遅延した $\gamma$ 信号の間の厳密なタイミングおよび位置相関を適用し、振動した $\bar{\nu}_e$ イベントを特定し、高速中性子に起因するミケルス電子を除外する。
• 3インチのフォトマルチプライヤー管（PMT）を両端に設置したセグメント化された液体シンチレーター・モジュールを用い、約5 cmの位置分解能と約11.6\%/$\sqrt{E}$ のエネルギー分解能を達成し、バックグラウンドを低減する。
• スパイル開始後1 $\mu$sのウィンドウを用いたビームゲーティングを適用し、ビーム関連の高速中性子およびオンバッチ活動を除外することで、$\mu^-$ 崩壊および宇宙線ミューオン由来のバックグラウンドを低減する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 J-PARC MLFにおける $\mu^+$ の静止状態崩壊から得られるクリアで高強度の $\bar{\nu}_\mu$ ビームを用いて、$\Delta m^2 \sim 1~\text{eV}^2$ の領域における $\bar{\nu}_\mu \to \bar{\nu}_e$ 遷移の探索が可能か。
• RQ2 J-PARCのパルスビーム構造とミューオンの寿命が、パイオン・カイオンの崩壊飛行成分および $\mu^-$ 由来バックグラウンドの効果的抑制を可能にするか。
• RQ3 正確なタイミングと位置分解能を持つセグメント化された液体シンチレーター検出器が、ミケルス電子や他のバックグラウンドから真の $\bar{\nu}_e$ シグナルを識別できるか。
• RQ4 17 mのベースラインを持つ提案された検出器が $\Delta m^2 \sim 1~\text{eV}^2$ に対してどの程度の感度を示すか。また、遠方検出器のみの構成や近接・遠方検出器の組み合わせと比較するとどうなるか。
• RQ5 近接・遠方検出器の比較により、システムティック不確実性が十分に低減され、将来的な長基準距離拡張によって $1~\text{eV}^2$ 未満の領域を探索可能になるか。

主な発見

• 核吸収により $\mu^-$ 崩壊由来の $\bar{\nu}_e$ のバックグラウンドは $\sim 10^{-3}$ まで低減され、著しく汚染が減少する。
• 5 cmの位置分解能と350 psのタイミング分解能により、即時的ポジトロンと遅延した中性子捕獲信号の分離が効果的に行われ、誤検出が低減される。
• 1 MWのビーム出力で2年間の露出を想定した17 mのベースライン検出器は、$\Delta m^2 \sim 1~\text{eV}^2$ に対して $5\sigma$ の感度を達成すると予想される。
• 将来的な長基準距離拡張として、60 m地点に1 ktonの検出器を設置すれば、$1~\text{eV}^2$ 未満の領域を探索可能となり、近接・遠方検出器間のシステムティック不確実性キャンセレーションにより感度が向上する。
• 遠方＋近接検出器構成では、キャンセレーション後、システムティック不確実性が2%まで低減されるが、遠方検出器のみの構成では、10%のフラックス不確実性と50%のバックグラウンド不確実性を仮定する。
• 検出器設計は、小規模なモジュールを用いたパイロットランを可能としており、全システムの早期テストおよびキャリブレーションが、本格稼働の前に行える。