[论文解读] A Long Baseline Neutrino Oscillation Experiment Using J-PARC Neutrino Beam and Hyper-Kamiokande

Hyper-Kamiokande Working Group, K. Abe+246 more|Lancaster EPrints (Lancaster University)|Dec 15, 2014

Neutrino Physics Research参考文献 1被引用 73

一句话总结

本文提出了一项利用J-PARC中微子束和Hyper-Kamiokande探测器的长基线中微子振荡实验，以精确测量CP破坏相位δCP并确定中微子质量层级。在7.5 MW × 10^7秒的束流曝光下，对76%的δCP取值实现>3σ的CP破坏敏感度，并以1σ不确定性测量sin²θ₂₃，分别为0.015（当sin²θ₂₃ = 0.5时）和0.006（当sin²θ₂₃ = 0.45时）。

ABSTRACT

Hyper-Kamiokande will be a next generation underground water Cherenkov detector with a total (fiducial) mass of 0.99 (0.56) million metric tons, approximately 20 (25) times larger than that of Super-Kamiokande. One of the main goals of Hyper-Kamiokande is the study of $CP$ asymmetry in the lepton sector using accelerator neutrino and anti-neutrino beams. In this document, the physics potential of a long baseline neutrino experiment using the Hyper-Kamiokande detector and a neutrino beam from the J-PARC proton synchrotron is presented. The analysis has been updated from the previous Letter of Intent [K. Abe et al., arXiv:1109.3262 [hep-ex]], based on the experience gained from the ongoing T2K experiment. With a total exposure of 7.5 MW $ imes$ 10$^7$ sec integrated proton beam power (corresponding to $1.56 imes10^{22}$ protons on target with a 30 GeV proton beam) to a $2.5$-degree off-axis neutrino beam produced by the J-PARC proton synchrotron, it is expected that the $CP$ phase $δ_{CP}$ can be determined to better than 19 degrees for all possible values of $δ_{CP}$, and $CP$ violation can be established with a statistical significance of more than $3\,σ$ ($5\,σ$) for $76%$ ($58%$) of the $δ_{CP}$ parameter space.

研究动机与目标

• 使用长基线中微子振荡实验高精度测量轻子CP破坏相位δCP。
• 利用Hyper-Kamiokande收集的宇宙射线中微子数据解决中微子质量层级问题。
• 利用加速器中微子和宇宙射线中微子数据高精度测量混合角sin²θ₂₃。
• 展示通过单一探测器中结合加速器与宇宙射线中微子测量以增强物理探测能力。

提出的方法

• 使用J-PARC中微子束线和Hyper-Kamiokande探测器的完整模拟来建模中微子相互作用与重建过程。
• 实验利用νₑ出现和νₘu消失通道探测δCP和θ₂₃。
• 分析10年曝光的宇宙射线中微子数据，以评估对质量层级和θ₂₃象限的敏感度。
• 使用Δχ²统计量比较不同δCP、质量层级和θ₂₃取值的假设，评估敏感度。
• 通过累加Δχ²值来建模加速器与宇宙射线中微子数据的结合，以评估增强的敏感度。
• 分析中考虑了δCP的不确定性，并在敏感度研究中假设为正常质量层级，但也评估了质量层级未知的情况。

实验结果

研究问题

• RQ1 Hyper-Kamiokande利用J-PARC中微子束对CP破坏相位δCP的敏感度如何？
• RQ2 Hyper-Kamiokande能否利用宇宙射线中微子数据确定中微子质量层级？
• RQ3 Hyper-Kamiokande利用加速器与宇宙射线中微子数据结合，能多精确地测量混合角sin²θ₂₃？
• RQ4 加速器与宇宙射线中微子测量的结合能否解决δCP和质量层级中的简并性问题？
• RQ5 仅利用宇宙射线中微子数据，对θ₂₃象限的敏感度如何？

主要发现

• 在7.5 MW × 10^7秒的束流曝光下，Hyper-Kamiokande可对所有δCP取值将δCP测量精度控制在19°以内。
• 在76%的δCP取值下，轻子味CP破坏可实现>3σ显著性，其中58%的取值达到5σ显著性。
• 当sin²θ₂₃ = 0.5时，sin²θ₂₃的预期1σ不确定性为0.015；当sin²θ₂₃ = 0.45时，为0.006。
• 仅利用宇宙射线中微子数据，对所有当前允许的θ₂₃取值，质量层级的敏感度可>3σ。
• 对于非最大θ₂₃，若sin²θ₂₃ < 0.46或sin²θ₂₃ > 0.56，宇宙射线中微子数据可在3σ水平上区分象限。
• 结合加速器与宇宙射线中微子数据可消除δCP中的虚假解，并使δCP测量精度超越任一通道单独所能达到的水平。