[论文解读] A Proposal for a Three Detector Short-Baseline Neutrino Oscillation Program in the Fermilab Booster Neutrino Beam

R. Acciarri, C. Adams+222 more|arXiv (Cornell University)|Mar 5, 2015

Neutrino Physics Research参考文献 108被引用 307

一句话总结

本文提出了一项利用费米实验室加速器中微子束中液氩时间投影室（LAr-TPC）的三探测器短基线中微子振荡计划，包括MicroBooNE、LAr1-ND和ICARUS-T600。该计划旨在解决中微子振荡数据中的异常现象，并通过出现和消失通道对eV量级的惰性中微子开展迄今为止最灵敏的搜索，同时推动LAr-TPC技术的发展，为未来的长基线实验铺平道路。

ABSTRACT

A Short-Baseline Neutrino (SBN) physics program of three LAr-TPC detectors located along the Booster Neutrino Beam (BNB) at Fermilab is presented. This new SBN Program will deliver a rich and compelling physics opportunity, including the ability to resolve a class of experimental anomalies in neutrino physics and to perform the most sensitive search to date for sterile neutrinos at the eV mass-scale through both appearance and disappearance oscillation channels. Using data sets of 6.6e20 protons on target (P.O.T.) in the LAr1-ND and ICARUS T600 detectors plus 13.2e20 P.O.T. in the MicroBooNE detector, we estimate that a search for muon neutrino to electron neutrino appearance can be performed with ~5 sigma sensitivity for the LSND allowed (99% C.L.) parameter region. In this proposal for the SBN Program, we describe the physics analysis, the conceptual design of the LAr1-ND detector, the design and refurbishment of the T600 detector, the necessary infrastructure required to execute the program, and a possible reconfiguration of the BNB target and horn system to improve its performance for oscillation searches.

研究动机与目标

• 通过协调一致的三探测器实验，解决包括LSND和MiniBooNE过剩在内的持续短基线中微子振荡异常。
• 利用液氩中微子束中的出现和消失通道，对迄今为止最灵敏地搜索eV量级的惰性中微子。
• 利用来自加速器中微子束的高精度、特性明确的中微子通量，精确测量中微子-氩截面。
• 为未来的长基线中微子计划（如LBNF）开发并展示液氩TPC技术。
• 通过详细的探测器系统学和宇宙射线标记，实现对宇宙成因背景和束流诱导的'尘埃'事例的研究。

提出的方法

• 利用三个LAr-TPC探测器——MicroBooNE（近点）、LAr1-ND（新近点）和ICARUS-T600（远点）——沿费米实验室加速器中微子束排列。
• 采用重新优化的磁铁配置，以增强中微子通量并改善束流聚焦，从而提高信噪比。
• 应用先进的TPC读出系统，包括高压穿刺、电场笼以及基于紫外激光的漂移场校准，以实现精确的事例重建。
• 集成一个宇宙射线标记系统（CRTS），利用闪烁追踪器识别并剔除宇宙射线背景。
• 采用双触发系统，结合前端电子学和专为实时数据处理与质量监控优化的DAQ框架。
• 在振荡分析中应用详细的中微子通量和相互作用不确定性建模，包括束流诱导的'尘埃'事例和宇宙成因背景。

实验结果

研究问题

• RQ1 三探测器LAr-TPC配置能否最终解决短基线中微子振荡中的LSND和MiniBooNE异常？
• RQ2 SBN计划在νμ → νe出现和νμ消失通道中对eV量级惰性中微子的灵敏度如何？
• RQ3 利用特性明确的加速器中微子束和LAr-TPC探测器，中微子-氩截面的测量精度如何？
• RQ4 LAr1-ND探测器相较于以往实验，在系统学和背景抑制方面能提升多少？
• RQ5 SBN计划能否作为LBNF/DeepInfinite中微子计划在技术和科学上的基础？

主要发现

• SBN计划在Δm² ~ 1 eV²时实现νμ → νe出现的灵敏度约为1.5 × 10⁻⁴，使对惰性中微子的搜索达到迄今为止最灵敏的水平。
• LAr1-ND的活性体积为55.0 m³（77.0吨氩），高度370 cm，长度405 cm，专为νμ分析优化。
• ICARUS-T600的活性体积为259.6 m³（363吨氩），用于νμ分析，长度1700 cm，高度286 cm。
• MicroBooNE用于νμ分析的活性体积为43.2 m³（60.5吨氩），长度942 cm，高度203 cm。
• 该计划的时间表包括：2017年初交付探测器组件，2017年年中完成安装，2017年底完成安全审查。
• SBN计划与P5建议（特别是#12和#15）一致，旨在费米实验室建立连贯的短基线与长基线中微子计划。