[論文レビュー] The Long-Baseline Neutrino Experiment: Exploring Fundamental Symmetries of the Universe

C. Adams, D. L. Adams+480 more|arXiv (Cornell University)|Jul 28, 2013

Neutrino Physics Research参考文献 277被引用数 179

ひとこと要約

長基準長ニュートリノ実験（LBNE）は、フェルミラブのメガワット級プロトン加速器、近接検出器、および1,300 km離れたサンダーフォード地下研究施設に位置する大型液体アルゴンタイムプロジェクションチェンバーを用いた、世界的な水準のニュートリノ施設の構想を提示している。この構成により、CP対称性の破れ、ニュートリノ質量順序、および陽子崩壊の高感度な研究が可能となり、物質と反物質の非対称性や重元素の起源を理解する上で鍵となる。

ABSTRACT

The preponderance of matter over antimatter in the early Universe, the dynamics of the supernova bursts that produced the heavy elements necessary for life and whether protons eventually decay --- these mysteries at the forefront of particle physics and astrophysics are key to understanding the early evolution of our Universe, its current state and its eventual fate. The Long-Baseline Neutrino Experiment (LBNE) represents an extensively developed plan for a world-class experiment dedicated to addressing these questions. LBNE is conceived around three central components: (1) a new, high-intensity neutrino source generated from a megawatt-class proton accelerator at Fermi National Accelerator Laboratory, (2) a near neutrino detector just downstream of the source, and (3) a massive liquid argon time-projection chamber deployed as a far detector deep underground at the Sanford Underground Research Facility. This facility, located at the site of the former Homestake Mine in Lead, South Dakota, is approximately 1,300 km from the neutrino source at Fermilab -- a distance (baseline) that delivers optimal sensitivity to neutrino charge-parity symmetry violation and mass ordering effects. This ambitious yet cost-effective design incorporates scalability and flexibility and can accommodate a variety of upgrades and contributions. With its exceptional combination of experimental configuration, technical capabilities, and potential for transformative discoveries, LBNE promises to be a vital facility for the field of particle physics worldwide, providing physicists from around the globe with opportunities to collaborate in a twenty to thirty year program of exciting science. In this document we provide a comprehensive overview of LBNE's scientific objectives, its place in the landscape of neutrino physics worldwide, the technologies it will incorporate and the capabilities it will possess.

研究の動機と目的

• 初期宇宙における物質と反物質の根本的非対称性を、ニュートリノの振動におけるCP対称性の破れの測定によって解明すること。
• 長基準長ニュートリノ振動測定を用いて、最も軽いニュートリノ状態が残りの2つより重いか軽いかを特定すること。
• 巨大統一理論の主要な予測である陽子崩壊を、大規模な地下検出器を用いて探索すること。
• 超新星爆発におけるニュートリノの振る舞いを研究し、生命に不可欠な重元素の起源を理解すること。
• 長期間にわたる国際共同研究に適したスケーラブルで柔軟性があり、費用対効果に優れた実験プラットフォームを確立すること。

提案手法

• フェルミラブに設置されたメガワット級プロトン加速器を用いて、高強度のニュートリノビームを生成する。
• ニュートリノ源の直下流に位置する近接検出器を設置し、初期のニュートリノフラックスと組成を測定する。
• サンダーフォード地下研究施設に1,300 km離れた場所に、大型の液体アルゴンタイムプロジェクションチェンバーを遠方検出器として設置する。
• 1,300 kmの基準長を活用して、振動パターンにおけるCP対称性の破れおよびニュートリノ質量順序の感度を最大化する。
• ニュートリノ相互作用の高精度なトラッキングおよびエネルギー測定を実現するため、液体アルゴンタイムプロジェクションチェンバー技術を採用する。
• 将来のアップグレードや追加の物理学計画への統合を可能にするために、スケーラビリティとモularityを統合する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ニュートリノ系におけるCP対称性の破れの度合いは何か？ そして、これは初期宇宙における物質と反物質の非対称性を説明できるか？
• RQ2 長基準長振動測定に基づいて、ニュートリノ質量順序は正順序か逆順序か？
• RQ3 陽子は予測された経路のいずれかを通じて崩壊するのか？ もし崩壊するならば、その崩壊率はどの程度か？
• RQ4 超新星の核心崩壊期におけるニュートリノの振る舞いはどのようなものか？ そして、核合成に果たす役割は何か？
• RQ5 LBNE施設は、標準模型を超える他の希少プロセスや新物理を研究するために改造可能か？

主な発見

• 1,300 kmの基準長は、長基準長ニュートリノ振動実験におけるCP対称性の破れおよびニュートリノ質量順序の両方に対する最適な感度を提供する。
• 液体アルゴンタイムプロジェクションチェンバーの使用により、ニュートリノ相互作用の高分解能トラッキングおよびエネルギー再構成が可能となり、測定精度が向上する。
• 実験はスケーラブルで柔軟に設計されており、将来のアップグレードや追加の物理学的目標の統合が可能である。
• 20〜30年間にわたる運用計画を通じて、ニュートリノ物理学分野における画期的な発見が期待できる。
• LBNEは、宇宙における物質優位性と最終的運命という根本的問題に取り組むための国際的共同研究の貴重な機会を提供する。
• 実験構成は費用対効果に優れており、陽子崩壊や超新星ニュートリノといった希少プロセスの検出に適している。