[论文解读] A Possible Future Long Baseline Neutrino and Nucleon Decay Experiment with a 100 kton Liquid Argon TPC at Okinoshima using the J-PARC Neutrino Facility

A. Badertscher, T. Hasegawa+6 more|ArXiv.org|Apr 14, 2008

Neutrino Physics Research参考文献 21被引用 16

一句话总结

本文提出在日本大隅岛建设一个100千吨液氩时间投影室（LAr TPC），作为下一代长基线中微子与核子衰变实验，利用升级后的1.66 MW J-PARC中微子束流。该探测器位于658公里基线处，离轴角约为1°，利用LAr TPC优越的能量分辨率和本底抑制能力，精确测量中微子混合角θ₁₃与CP破坏相位δCP，同时实现对10³⁴–10³⁵年量级质子衰变的高灵敏度探测。

ABSTRACT

In this paper, we consider the physics performance of a single far detector composed of a 100 kton next generation Liquid Argon Time Projection Chamber (LAr TPC) possibly located at shallow depth, coupled to the J-PARC neutrino beam facility with a realistic 1.66 MW operation of the Main Ring. The new far detector could be located in the region of Okinoshima islands (baseline $L\sim 658$ km). Our emphasis is based on the measurement of the $θ_{13}$ and $δ_{CP}$ parameters, possibly following indications for a non-vanishing $θ_{13}$ in T2K, and relies on the opportunity offered by the LAr TPC to reconstruct the incoming neutrino energy with high precision compared to other large detector technologies. We mention other possible baselines like for example J-PARC-Kamioka (baseline $L\sim 295$ km), or J-PARC-Eastern Korean coast (baseline $L\sim 1025$ km). Such a detector would also further explore the existence of proton decays.

研究动机与目标

• 探索在大隅岛建造100千吨液氩时间投影室作为下一代长基线中微子与核子衰变实验的物理潜力。
• 提高对中微子混合角θ₁₃与CP破坏相位δCP的探测灵敏度，特别是针对T2K实验可能显示的非零θ₁₃信号。
• 评估通过精确测量能量谱，确定中微子质量顺序并解决参数简并性的可行性。
• 评估探测器在浅深度条件下对质子衰变探测能力，灵敏度范围为10³⁴–10³⁵年。
• 比较不同基线（包括J-PARC–神冈、J-PARC–日本东海岸）下相同探测器概念的性能表现。

提出的方法

• 实验采用位于大隅岛的100千吨液氩时间投影室，基线约为658公里，离轴角约1°，用于观测来自J-PARC中微子束流的中微子振荡。
• 探测器利用LAr TPC的高能量分辨率与精细颗粒电荷成像能力，精确重建入射中微子能量，从而清晰分离第一与第二振荡极大值。
• 束流假设以1.66 MW的实际功率运行，源自升级后的J-PARC主环，以提供足够的统计量用于振荡测量。
• 背景抑制主要通过LAr TPC优异的粒子识别能力及对π⁰本底的有效排斥实现，主要不可约背景为束流固有的νₑ成分。
• 通过比较多个基线（295公里、658公里、1025公里）下的性能，评估测量θ₁₃与δCP的最佳配置。
• 研究基于模拟的性能评估，重点关注能量谱特征与统计灵敏度，未来工作将纳入系统误差建模。

实验结果

研究问题

• RQ1 在658公里基线、离轴角约1°的条件下，100千吨LAr TPC能否在大隅岛实现对中微子混合角θ₁₃与CP破坏相位δCP的高精度测量？
• RQ2 与其它探测器技术相比，LAr TPC在分辨第一与第二振荡极大值时，其能量分辨率与背景抑制能力如何？
• RQ3 该探测器对10³⁴–10³⁵年量级质子衰变的探测灵敏度如何，特别是对多分支衰变与含粲夸克衰变模式？
• RQ4 不同基线（295公里、658公里、1025公里）如何影响对θ₁₃与δCP的测量灵敏度？哪种基线提供最优性能？
• RQ5 考虑到其自屏蔽特性与三维成像能力，LAr TPC是否能在浅深度条件下仍实现高质子衰变探测灵敏度？

主要发现

• 由于束流离轴配置（约1°）与探测器的高能量分辨率，位于大隅岛（658公里基线）的100千吨LAr TPC能够以良好的统计显著性分辨第一与第二振荡极大值。
• LAr TPC的精细颗粒读出可有效抑制π⁰本底，降低系统误差，使束流固有的νₑ成分成为主要不可约背景。
• 该探测器对10³⁴–10³⁵年量级质子衰变具有高灵敏度，信号与本底比值在少数事件水平下有利于发现，尤其对多分支与含粲夸克衰变模式。
• 研究表明，与水切伦科夫探测器相比，LAr TPC在多数质子衰变模式中检测效率提高一个数量级，归因于更优的成像能力与本底区分能力。
• 658公里基线配置在基线长度与束流能量之间取得良好平衡，可有效测量振荡特征的能量依赖性，从而解决参数简并性问题。
• 本文结论认为，若进一步推进研发与原型测试，100千吨LAr TPC在大隅岛建造是未来长基线中微子与核子衰变物理研究的可行且具竞争力的方案。