[论文解读] Search for anomalies in the neutrino sector with muon spectrometers and large LArTPC imaging detectors at CERN

M. Antonello, D. Bagliani+137 more|arXiv (Cornell University)|Aug 3, 2012

Neutrino Physics Research参考文献 6被引用 5

一句话总结

本文提出了一项基于CERN的专用实验，采用μ子谱仪和大型液氩时间投影室（LArTPC），以搜寻无菌中微子异常。通过在近端和远端探测器中对中微子和反中微子的带电流相互作用进行高精度测量，该装置旨在独立测定无菌中微子振荡的质量平方差Δm²和混合角sin²2θ，其灵敏度覆盖LSND和MiniBooNE异常区域。

ABSTRACT

A new experiment with an intense ~2 GeV neutrino beam at CERN SPS is proposed in order to definitely clarify the possible existence of additional neutrino states, as pointed out by neutrino calibration source experiments, reactor and accelerator experiments and measure the corresponding oscillation parameters. The experiment is based on two identical LAr-TPCs complemented by magnetized spectrometers detecting electron and muon neutrino events at Far and Near positions, 1600 m and 300 m from the proton target, respectively. The ICARUS T600 detector, the largest LAr-TPC ever built with a size of about 600 ton of imaging mass, now running in the LNGS underground laboratory, will be moved at the CERN Far position. An additional 1/4 of the T600 detector (T150) will be constructed and located in the Near position. Two large area spectrometers will be placed downstream of the two LAr-TPC detectors to perform charge identification and muon momentum measurements from sub-GeV to several GeV energy range, greatly complementing the physics capabilities. This experiment will offer remarkable discovery potentialities, collecting a very large number of unbiased events both in the neutrino and antineutrino channels, largely adequate to definitely settle the origin of the observed neutrino-related anomalies.

研究动机与目标

• 为解决中微子领域长期存在的异常问题，包括μ中微子束产生的电子样事件过剩，如LSND和MiniBooNE实验所观测到的异常。
• 通过测量具有较大质量平方差（Δm² ~ 0.01–1.0 eV²）的无菌中微子，检验其超出标准模型的假设。
• 通过在两个不同基线处测量中微子和反中微子的能量谱，独立确定Δm²和sin²2θ。
• 探索无菌中微子振荡的完整参数空间，包括反应堆异常和镓校准源实验结果。
• 扩展现有对μ中微子消失振荡的限制，特别是在CCFR、CDHS和SciBooNE/MiniBooNE实验的背景下。

提出的方法

• 利用CERN SPS束流的高强高斯束，采用正负极性聚焦，产生中微子和反中微子束。
• 在近端（119吨有效质量）和远端（476吨有效质量）部署大体积液氩时间投影室（LArTPC），以实现对带电流相互作用的高分辨率重建。
• 在近端和远端部署μ子谱仪（NESSiE），测量μ子动量和电荷，以实现νμ与ν̄μ事件的分离。
• 在两个基线处测量νe和νμ带电流事件的能量谱，通过振荡模式分析解耦Δm²和sin²2θ。
• 对能量谱施加3%的系统不确定度，以评估在(Δm², sin²2θ)平面上的灵敏度。
• 在三年内（两年负极性聚焦，一年正极性聚焦）使用中微子和反中微子模式，以最大化对异常参数空间的覆盖。

实验结果

研究问题

• RQ1 LSND和MiniBooNE实验中μ中微子到电子中微子振荡的异常是否可由Δm² ~ 0.01–1.0 eV²的无菌中微子态存在来解释？
• RQ2 所提出的装置对无菌中微子振荡的Δm²和sin²2θ的独立测量灵敏度如何？
• RQ3 该实验在多大程度上能够排除或确认由反应堆中微子异常和镓校准源实验结果所建议的参数区域？
• RQ4 LArTPC成像与μ子谱仪测量相结合，相较于以往实验，如何提升νμ与ν̄μ事件的分离能力？
• RQ5 该装置对νμ消失振荡的预期灵敏度如何？其是否扩展了CCFR、CDHS和MiniBooNE的现有限制？

主要发现

• 所提出的装置对LSND和MiniBooNE异常区域具有灵敏度，覆盖了MiniBooNE反中微子分析中提出的两个有利参数集。
• 仅用一年数据采集，该实验在(Δm², sin²2θ)平面上对νe消失振荡的灵敏度即可完全探索反应堆、GALLEX和SAGE实验的联合异常。
• 灵敏度图（图7）显示，对νμ消失振荡的当前排除限得到显著扩展，其在90%置信水平下超越了CDHS和SciBooNE+MiniBooNE的限制。
• 对于两年负极性聚焦和一年正极性聚焦的运行，远端LArTPC中预期的相互作用率可达5.2×10⁴个νμ带电流事件，支持高统计精度测量。
• 该方法可实现Δm²和sin²2θ的独立测定，如图5所示，不同振荡参数下电子中微子谱具有明显差异。
• 本征的νe束流本底已量化，并显示可与振荡信号区分开来，从而提高了分析的稳健性。