[论文解读] Deep Underground Neutrino Experiment (DUNE), Far Detector Technical Design Report, Volume II: DUNE Physics

B. Abi, R. Acciarri+964 more|arXiv (Cornell University)|Feb 7, 2020

Neutrino Physics Research被引用 78

一句话总结

对DUNE远端探测器物理计划的全面架构和灵敏度评估，详细介绍振荡物理、核子衰变、低能中微子以及超越标准模型的搜索，并包含仿真、重建和标定框架。

ABSTRACT

The preponderance of matter over antimatter in the early universe, the dynamics of the supernovae 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. DUNE is an international world-class experiment dedicated to addressing these questions as it searches for leptonic charge-parity symmetry violation, stands ready to capture supernova neutrino bursts, and seeks to observe nucleon decay as a signature of a grand unified theory underlying the standard model. The DUNE far detector technical design report (TDR) describes the DUNE physics program and the technical designs of the single- and dual-phase DUNE liquid argon TPC far detector modules. Volume II of this TDR, DUNE Physics, describes the array of identified scientific opportunities and key goals. Crucially, we also report our best current understanding of the capability of DUNE to realize these goals, along with the detailed arguments and investigations on which this understanding is based. This TDR volume documents the scientific basis underlying the conception and design of the LBNF/DUNE experimental configurations. As a result, the description of DUNE's experimental capabilities constitutes the bulk of the document. Key linkages between requirements for successful execution of the physics program and primary specifications of the experimental configurations are drawn and summarized. This document also serves a wider purpose as a statement on the scientific potential of DUNE as a central component within a global program of frontier theoretical and experimental particle physics research. Thus, the presentation also aims to serve as a resource for the particle physics community at large.

研究动机与目标

• 推动并阐明DUNE计划的科学目标，以及远端探测器在推进中微子物理和相关超越标准模型搜索中的作用。
• 界定实现物理目标所需的探测器设计要求、标定策略，以及用于实现物理目标的仿真/重建流程。
• 提供对DUNE在中微子振荡、CP违反、质量层次、核子衰变、超新星中微子以及其他超越标准模型现象的灵敏度的结构化评估。
• 概述近端和远端探测器的概念，包括单相和双相技术，以及用于验证性能的ProtoDUNE原型。

提出的方法

• 描述用于中微子束流建模、相互作用发生器、探测器仿真和数据采集假设的蒙特卡洛框架。
• 详细说明远端探测器事件重建链，包括TPC信号处理、打点/空间点识别、聚类、模式识别，以及冠层/粒子鉴识别。
• 解释使用Pandora和ProtoDUNE-SP作为验证平台的重建性能评估。
• 提出一个以物理驱动的要求为基础的标定策略、标定源以及分阶段计划，其中包括以39Ar衰变作为标定分量。
• 概述DUNE的分析框架，包括灵敏度方法学和DUNE分析框架。

实验结果

研究问题

• RQ1 DUNE在中微子领域对CP-违反的预期灵敏度以及对中微子质量层级的灵敏度是多少？
• RQ2 近端探测器测量如何约束系统误差并提高振荡参数的精度？
• RQ3 为实现科学目标所需的探测器性能要求和标定策略是什么？
• RQ4 DUNE在核子衰变、惰性中微子，以及其他超越标准模型现象方面的探索范围如何？
• RQ5 反应堆和大气中微子，以及超新星中微子如何补充基于束流的计划？

主要发现

• 灵敏度研究表明，采用所述远端探测器设置，DUNE具备探测CP违反和质量排序的能力。
• 建立了全面的仿真和重建框架，包括基于CVN的事件选择和ProtoDUNE验证。
• 提出了详细的标定计划和能量标尺管理，以控制占主导地位的系统误差。
• 核子衰变和其他超越标准模型的搜索整合到物理计划中，并给出探测器要求。
• 该文档概述了近端探测器数据如何约束通量、截面和探测器相关不确定性，以改进振荡测量。