[論文レビュー] Proposal for an Extended Run of T2K to $20 imes10^{21}$ POT

K. Abe, H. Aihara+315 more|arXiv (Cornell University)|Sep 14, 2016

Neutrino Physics Research参考文献 1被引用数 23

ひとこと要約

T2K共同研究者は、7.8×10²¹ POTから20×10²¹ POTへのニュートリノ走行期間の延長を提案し、δCPの広い範囲でCP対称性の破れを3σ感度で探索し、 oscillationパラメータの精度を向上させるとともに、無色ニュートリノ、ローレンツ対称性の破れ、重い中性レプトンといった新しい物理を調べる。これは、J-PARC Main Ringを1.3 MWのビーム出力にアップグレードし、電磁ホーンを320 kAで運転するためのビームライン改修を要する。これにより統計的精度が最大50%向上し、系誤差は現在の約2/3にまで低減される。

ABSTRACT

Recent measurements by the T2K neutrino oscillation experiment indicate that CP violation in neutrino mixing may be observed in the future by long-baseline neutrino oscillation experiments. We propose an extension to the currently approved T2K running from $7.8 imes 10^{21}~\mbox{POT}$ to $20 imes 10^{21}~\mbox{POT}$, aiming at initial observation of CP violation with 3$\,σ$ or higher significance for the case of maximum CP violation. The program also contains a measurement of mixing parameters, $θ_{23}$ and $Δm^2_{32}$, with a precision of 1.7$^\circ$ or better and 1%, respectively. With accelerator and beamline upgrades, as well as analysis improvements, this program would occur before the next generation of long-baseline neutrino oscillation experiments that are expected to start operation in 2026.

研究の動機と目的

• δCPの広い範囲、特に最大CP対称性の破れを含め、3σ感度でCP対称性の破れを達成すること。
• Δm²₃₂などのoscillationパラメータの精度を1%レベルまで向上させ、原子炉実験と競争可能な比較を可能にすること。
• 高統計のニュートリノおよび反ニュートリノの消失・生成測定を通じて、新しい物理、特に無色ニュートリノ、ローレンツ対称性の破れ、重い中性レプトンを探索すること。
• NOvAおよび原子炉データと照らし合わせることで、標準的でないニュートリノ-物質相互作用の感度を高めること。
• スーパーカムイオカンデでの中性荷電π⁰イベント数を500以上に増加させ、純度97%以上を達成し、Δm² ~ 10⁻³ eV²領域における無色ニュートリノ探索を可能にすること。

提案手法

• J-PARC Main Ringを1.3 MWビーム出力で運転可能にアップグレードし、年間5〜6か月のデータ取得を可能にする。
• ニュートリノビームラインを改修し、1.3 MWビームおよび電磁ホーンを320 kAで運転可能にすることで、ニュートリノ発生量とビームの集束を向上させる。
• 既存のT2Kニア検出器（INGRID, ND280）およびファーディテクター（スーパーカムイオカンデ）を用いて、νμおよびν̄μの消失、νeの出現、中性荷電π⁰イベントを測定する。
• 統計の増加を活かした高精度なoscillation解析により、δCP、Δm²₃₂、θ₂₃を制約する。
• ニアおよびファーディテクターでのサイレスタイム依存のイベントレート解析を実施し、ニュートリノ伝播におけるローレンツ対称性の破れを調査する。
• T2Kターゲットで生成され、ニア検出器内で崩壊する重い中性レプトン（10⁻¹–10² GeV）を探索する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 T2Kは、δCPの全範囲、特に最大CP対称性の破れを含め、3σ感度でCP対称性の破れを達成できるか？
• RQ2 20×10²¹ POTでΔm²₃₂の期待される精度は何か？ また、原子炉測定と比較するとどうなるか？
• RQ3 T2Kと原子炉によるΔm²₃₂の測定値のずれは、非標準的ニュートリノ-物質相互作用などの新しい物理を示唆するか？
• RQ4 スーパーカムイオカンデのπ⁰サンプルを用いて、Δm² ~ 10⁻³ eV²領域における無色ニュートリノ振動の感度は何か？
• RQ5 ニアおよびファーディテクターでのイベントレートのサイレスタイム依存性は、ニュートリノ伝播におけるローレンツ対称性の破れを明らかにできるか？

主な発見

• 20×10²¹ POTで、T2KはδCPの広い範囲、最大CP対称性の破れを含め、3σ感度でCP対称性の破れを達成すると予想される。
• Δm²₃₂の精度は1%に達すると予想され、現在の4%レベルよりも顕著に向上し、原子炉実験との競争的比較が可能になる。
• スーパーカムイオカンデでの中性荷電π⁰生成イベント数は、500以上に達し、純度97%以上に達すると予想され、Δm² ~ 10⁻³ eV²領域における無色ニュートリノ探索に非常に感受性が高い。
• ニア検出器におけるνe消失の感度は、原子炉ν̄e欠損の要請する無色振動の許容パラメータ領域に達しており、統計の増加によりさらなる向上が期待される。
• スーパーカムイオカンデでのサイレスタイム依存性解析により、より長い基準距離のおかげで、ローレンツ対称性の破れに対する感度が3桁向上する可能性がある。
• T2Kニア検出器は、ターゲットで生成され、検出器体積内で崩壊する重い中性レプトン（10⁻¹–10² GeV）を検出できると予想される。