[論文レビュー] Proposal for an Experimental Program in Neutrino Physics and Proton Decay in the Homestake Laboratory

M. Diwan, S. H. Kettell+21 more|ArXiv.org|Aug 8, 2006

Neutrino Physics Research被引用数 5

ひとこと要約

本論文は、ホムステイク・マイン（4850フィートの深度）の深地中の地下くぼみに複数の100キロトン級水チェレンコフ検出器を設置する、長基線ニュートリノ振動および陽子崩壊実験を提案する。この設計は、フェルミラブ（1300 km）およびブルークヘブン（2540 km）からのビームを活用し、ニュートリノ系におけるCP対称性の破れを調査するものであり、最適化されたキャビティ幾何学およびフォトマルチプライヤー管（PMT）の配置により、1モジュールあたり100キロトンの有効体積を達成し、高い検出器稼働率と、標準模型を超える新しい物理現象への感受性を確保する。

ABSTRACT

This report is intended to describe first, the principal physics reasons for an ambitious experimental program in neutrino physics and proton decay based on construction of a series of massive water Cherenkov detectors located deep underground (4850 ft) in the Homestake Mine of the South Dakota Science and Technology Authority (SDSTA); and second, the engineering design of the underground chambers to house the Cherenkov detector modules; and third, the conceptual design of the water Cherenkov detectors themselves for this purpose. Included in this document are preliminary costs and time-to-completion estimates which have been exposed to acknowledged experts in their respective areas. We have included some contingency factors. Nevertheless, we recognize that much more extensive documentation and contingency estimates will be needed for a full technical design report. In this proposal we show the event rates and physics sensitivity for beams from both FNAL (1300 km distant from Homestake) and BNL (2540 km distant from Homestake). The program we propose will benefit from a beam from FNAL because of the high intensities currently available from the Main Injector with modest upgrades. The possibility of tuning the primary proton energy over a large range from 30 to 120 GeV also adds considerable flexibility to the program from FNAL.

研究の動機と目的

• 深地中の水チェレンコフ検出器を用いて、ニュートリノ振動および陽子崩壊に関する主要な実験計画を確立すること。
• 宇宙における物質-反物質非対称性の理解に不可欠な、レプトン系におけるCP対称性の破れを検証すること。
• 陽子崩壊や超新星ニュートリノといった希少過程への感受性を最大化するために、1検出器モジュールあたり100キロトンの有効体積を達成すること。
• 長期間にわたり高い稼働率で動作可能であり、最小限の停止時間で運用可能な、安定的かつ水密性の高い地下キャビティおよび検出器モジュールを設計すること。
• フェルミラブおよびブルークヘブン国立研究所を、補完的な物理学を実現するためのニュートリノビーム源として使用する可能性を検討すること。

提案手法

• ホムステイク・マインの4850フィートの深度に、直径50 m、高さ50 mの地下くぼみをコンクリートで装備し、100キロトン級水チェレンコフ検出器を設置する設計。
• 壁面から38 cmの位置に配置された11インチのフォトマルチプライヤー管（PMT）を用い、有効体積を最大化すると同時に、光学的に分離された遮断領域を実現する。
• PMT窓面から1.5 mの有効体積カットを実装することで背景を低減し、PMT窓面から2 mのカットでは、元の質量の約87%（1モジュールあたり86.7 kT）または約72%（71.5 kT）を保持する。
• 段階的なキャリブレーションを実施することで100%の稼働効率を維持できる、マルチモジュール検出器アレイの構築。
• フェルミラブ（1300 km）およびブルークヘブン（2540 km）からの広帯域ニュートリノビームを用い、調整可能なプロトンエネルギー（30–120 GeV）により、CP対称性の破れおよび物質効果を探索する。
• 長期間にわたる検出器の安定性と性能を確保するため、水の浄化、冷却、キャリブレーションシステム、PMTケーブルインfraストラクチャを統合する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 直径50 m、高さ50 mの地下キャビティ（4850フィートの深度）において、構造的および圧力的リスクを最小限に抑えて、100キロトンの有効体積を実現できるか？
• RQ2 有効体積を最大化すると同時に、効果的な光学的遮断領域を実現するための最適なPMT設置配置は何か？
• RQ3 フェルミラブおよびブルークヘブンからのビームパラメータは、ニュートリノ系におけるCP対称性の破れへの感受性において、どのように比較されるか？
• RQ4 ホムステイク・マインに複数の100キロトン級検出器モジュールを建設するにあたり、技術的および費用的制約は何か？
• RQ5 段階的なキャリブレーションと冗長性を活用することで、マルチモジュール検出器アレイがほぼ100%の稼働率を維持できるか？

主な発見

• 1.5 mの有効体積カットを採用した場合、キャビティ半径を1.5 m拡大するか、PMTの深さを調整することで、1モジュールあたり86.7 kT（87%）の有効体積を維持できる。2 mのカットでは71.5 kT（72%）を保持できる。
• 壁面から38 cmのPMT支持点を採用することで、有効体積を損なわず、38 cmの光学的分離遮断領域を実現できる。
• 底面のPMT層の下に15 mの水を設置し、上部PMT層を30–50 cm低くすることで、100キロトンの有効体積を維持できる。
• 物理的感度は、電子信号が背景に支配されない限り、基線長に依存しないことから、レプトン系におけるCP対称性の破れに対して高い感受性を示すと予想される。
• 段階的なキャリブレーションと冗長性を備えたマルチモジュールアレイにより、100%の稼働効率を達成できる。
• 専門家による助言を踏まえた初期の費用見積もりおよび建設スケジュールが策定されたが、完全な技術設計報告書はまだ必要である。