[论文解读] DUNE: Status and Perspectives

D. Brailsford|arXiv (Cornell University)|Apr 13, 2018

Neutrino Physics Research被引用 5

一句话总结

DUNE 是一项下一代长基线中微子实验，利用位于费米实验室 1300 公里外的桑迪·地下研究中心（SURF）的液氩时间投影室（LArTPC），以高精度测量中微子振荡。该实验旨在确定中微子质量顺序，测量 CP 破坏相位 δCP，并探索标准模型之外的物理现象，包括质子衰变和超新星中微子探测。

ABSTRACT

The Deep Underground Neutrino Experiment (DUNE) provides a rich science program with a focus on neutrino oscillations and other beyond the standard model physics. The high-intensity, wide-band neutrino beam will be produced at the Fermi National Accelerator Laboratory (FNAL) and will be directed to the 40~kt liquid argon far detector at the Sanford Underground Research Facility, 1300~km from FNAL. The primary goals of the experiment are to determine the ordering of neutrino masses and to measure the CP violating phase, $δ_{ extrm{CP}}$. The underground location of the large DUNE far detector and its excellent energy and spatial resolution will allow also for non-accelerator physics programs predicted by grand unified theories, such as nucleon decay or $n$---$\bar{n}$ oscillations. Moreover, DUNE will be sensitive to the electron neutrino flux from a core-collapse supernova, providing valuable information on the phenomenon's underlying mechanisms. This ambitious project requires extensive prototyping and a testing program to guarantee that all parts of the technology are fully understood and well tested. Two such prototypes, in both single phase (ProtoDUNE-SP) and dual phase (ProtoDUNE-DP) technologies, are under construction and will be operated at the CERN Neutrino Platform (NP) starting in 2018.

研究动机与目标

• 通过高精度测量中微子振荡，确定中微子质量顺序（正常或倒置）。
• 测量轻子味中的 CP 破坏相位 δCP，这对于理解物质-反物质不对称性至关重要。
• 通过大体积液氩探测器，探索标准模型之外的物理现象，包括核子衰变和 n–n̄ 振荡。
• 研究核心坍缩超新星中微子信号，以深入了解爆炸机制和中微子性质。
• 通过大规模原型（ProtoDUNE-SP 和 ProtoDUNE-DP）验证液氩 TPC 技术，为全面部署做准备。

提出的方法

• 利用费米实验室至桑迪地下研究中心（SURF）1300 公里的基线，采用高强度、宽能谱中微子束。
• 远场探测器采用两个 10 千吨液氩时间投影室（LArTPC），分别采用双相（DP）和单相（SP）构型，全尺寸组件已在原型中完成测试。
• 使用 1.2 MW（可升级至 2.4 MW）中微子束，通过前向和反向磁铁电流模式，选择性产生 νμ 或 ν̄μ 束。
• 近场探测器（ND）采用 LArTPC 和气态氩（GAr）TPC，以约束未振荡的中微子通量并减少系统误差。
• 应用先进的重建技术，包括卷积神经网络（CNN），以识别如 n–n̄ 振荡拓扑等稀有信号。
• 在欧洲核子研究中心（CERN）通过 ProtoDUNE-SP 和 ProtoDUNE-DP 进行广泛原型测试，每个原型含 770 吨液氩，以验证探测器性能和标定。

实验结果

研究问题

• RQ1 通过长基线中微子振荡测量，中微子质量顺序是正常还是倒置？
• RQ2 中微子混合矩阵中的 CP 破坏相位 δCP 的值是多少？是否非零？
• RQ3 DUNE 能否通过结合 νμ→νμ 和 νμ→νe 振荡通道分辨出混合角 θ23 的八度？
• RQ4 DUNE 对核子衰变（特别是 p→K+ν̄ 通道）和 n–n̄ 振荡的灵敏度如何？
• RQ5 DUNE 能够多好地探测并表征核心坍缩超新星的中微子爆发？

主要发现

• 在 10 年数据采集后，DUNE 可在 NuFit 2016 90% 置信区间约 50% 的区域内，以 5σ 显著性分辨出 θ23 的八度。
• ProtoDUNE-SP 和 ProtoDUNE-DP 原型预计于 2018 年在 CERN 的中微子平台完成调试并开始取数，验证全尺寸 LArTPC 技术。
• 经过 10 年暴露，DUNE 对自由 n–n̄ 振荡寿命的灵敏度可达约 10^33 年，优于 Super-K 的极限。
• 预计 DUNE 远场探测器将于 2024 年首次获取数据，LBNF 束流和近场探测器将于 2026 年投入运行。
• 整个 DUNE 实验预计将在四个 10 千吨 LArTPC 模块中实现 40 吨液氩，成为迄今最大的 LArTPC。
• 卷积神经网络的应用可有效抑制稀有 n–n̄ 振荡信号的背景，对星型拓扑结构实现高识别效率。