[论文解读] Prospect for Charge Current Neutrino Interactions Measurements at the CERN-PS

P. Bernardini, A. Bertolin+43 more|arXiv (Cornell University)|Nov 7, 2011

Neutrino Physics Research参考文献 33被引用 18

一句话总结

该论文提出了在CERN-PS开展的NESSiE实验，旨在利用两个谱仪——近距（127 m）和远距（850 m）——测量带电流中微子相互作用。这两个谱仪配备铁磁体和空气磁体的双极磁铁，以精确测量μ子动量和电荷。结合液氩探测器，该实验旨在解决短基线中微子异常问题，检验无菌中微子的存在，并通过高灵敏度、低系统不确定性的$ν_{\mu} \rightarrow \nu_{e}$和$\bar{\nu}_{\mu} \rightarrow \bar{\nu}_{e}$振荡探测CP破坏。

ABSTRACT

Tensions in several phenomenological models grew with experimental results on neutrino/antineutrino oscillations at Short-Baseline (SBL) and with the recent, carefully recomputed, antineutrino fluxes from nuclear reactors. At a refurbished SBL CERN-PS facility an experiment aimed to address the open issues has been proposed [1], based on the technology of imaging in ultra-pure cryogenic Liquid Argon (LAr). Motivated by this scenario a detailed study of the physics case was performed. We tackled specific physics models and we optimized the neutrino beam through a full simulation. Experimental aspects not fully covered by the LAr detection, i.e. the measurements of the lepton charge on event-by-event basis and their energy over a wide range, were also investigated. Indeed the muon leptons from Charged Current (CC) (anti-)neutrino interactions play an important role in disentangling different phenomenological scenarios provided their charge state is determined. Also, the study of muon appearance/disappearance can benefit of the large statistics of CC muon events from the primary neutrino beam. Results of our study are reported in detail in this proposal. We aim to design, construct and install two Spectrometers at "NEAR" and "FAR" sites of the SBL CERN-PS, compatible with the already proposed LAr detectors. Profiting of the large mass of the two Spectrometers their stand-alone performances have also been exploited.

研究动机与目标

• 解决未解决的短基线中微子异常问题，包括LSND观测到的$\bar{\nu}_\mu \rightarrow \bar{\nu}_e$转变，以及镓实验中观测到的$\nu_e$消失现象。
• 通过在宽广能量范围内精确测量$\nu_\mu$和$\bar{\nu}_\mu$消失，检验无菌中微子的存在。
• 测量带电流中微子相互作用中产生的μ子电荷，以区分束流中的$\nu_\mu$和$\bar{\nu}_\mu$成分，这对探测CP破坏至关重要。
• 通过在CERN-PS现有液氩探测器基础上增加谱仪，提升物理探测能力，尤其增强对低能μ子的探测和电荷识别能力。
• 通过复用OPERA实验的组件并采用成熟技术（如电阻板室RPC和漂移管），最大限度降低费用和建设周期。

提出的方法

• 在近距（127 m）和远距（850 m）位置设计两个使用铁芯双极磁铁的谱仪，通过磁致偏转精确测量μ子动量和电荷。
• 在谱仪前方引入局部空气磁体，以提升低能区（数百MeV至数GeV）的动量分辨率。
• 采用具有模拟与数字读出的电阻板室（RPCs）实现高精度轨迹重建和电荷识别，充分利用OPERA探测器的现有技术。
• 通过全量Monte Carlo模拟中微子束流通量、聚焦透镜设计和探测器响应，优化束流参数和谱仪性能。
• 开发适用于高事例率、低本底环境的高精度μ子探测的前端电子学与触发逻辑的数据采集系统。
• 部署慢控系统和电源供应，以在长期运行中监控和调节磁铁电流与探测器稳定性。

实验结果

研究问题

• RQ1 NESSiE谱仪能否通过精确测量μ子电荷和动量，解决LSND观测到的$\bar{\nu}_\mu \rightarrow \bar{\nu}_e$异常？
• RQ2 NESSiE实验在完整μ子动量范围内对$\nu_\mu$和$\bar{\nu}_\mu$消失的灵敏度如何？其对无菌中微子模型的约束能力如何？
• RQ3 在带电流相互作用中对μ子电荷的识别，能在多大程度上降低测量$\nu_\mu \rightarrow \nu_e$和$\bar{\nu}_\mu \rightarrow \bar{\nu}_e$转变率的系统不确定性？
• RQ4 谱仪如何提升近点探测器处中微子通量的测量精度？这对整体振荡参数灵敏度有何影响？
• RQ5 NESSiE装置能否通过高精度比较$\nu_\mu \rightarrow \nu_e$和$\bar{\nu}_\mu \rightarrow \bar{\nu}_e$转变率，探测中微子味中的CP破坏？

主要发现

• NESSiE谱仪可在宽广能量范围（约200 MeV至>5 GeV）内以高分辨率测量μ子动量和电荷，支持对$\nu_\mu$和$\bar{\nu}_\mu$消失现象的精确研究。
• 在铁磁谱仪前引入空气磁体可显著提升低能区的动量分辨率，这对探测带电流相互作用产生的低动量μ子至关重要。
• 通过联合测量$\nu_\mu$和$\bar{\nu}_\mu$消失，实验对无菌中微子模型具有高灵敏度，具备排除或证实第四种无菌中微子态存在的潜力。
• 采用RPC和漂移管可实现成本低、可扩展且可重构的追踪系统，且可复用OPERA实验的大部分组件。
• NESSiE实验的总估算成本为830万欧元，其中主要开支包括远磁铁250万欧元、近磁铁200万欧元、探测器100万欧元，使项目在预算范围内可行。
• 谱仪显著降低了近点探测器处中微子通量测量的系统不确定性，这对精确提取振荡参数和开展CP破坏搜索至关重要。