[论文解读] European facilities for accelerator neutrino physics: Perspectives for the decade to come

R. Battiston, M. Mezzetto+2 more|arXiv (Cornell University)|Dec 17, 2009

Neutrino Physics Research参考文献 71被引用 3

一句话总结

本文评估了欧洲未来加速器中微子物理策略，重点在于利用现有基础设施（如CERN和格兰萨索国家实验室（LNGS））研究CP破坏和中微子混合参数。该研究提出了一种分层方法：根据θ13的测量值，选择CNGS升级（适用于大θ13）、Betabeam或中微子工厂设施（适用于小θ13），以及LAr TPC研发（用于长期目标），并强调与欧洲技术领导力的协同效应。

ABSTRACT

Very soon a new generation of reactor and accelerator neutrino oscillation experiments -Double Chooz, Daya Bay, Reno and T2K- will seek for oscillation signals generated by the mixing parameter Î ̧13. The knowledge of this angle is a fundamental milestone to optimize further experiments aimed at detecting CP violation in the neutrino sector. Leptonic CP violation is a key phenomenon that has profound implications in particle physics and cosmology but it is clearly out of reach for the aforementioned experiments. Since late 90s', a world-wide activity is in progress to design facilities that can access CP violation in neutrino oscillation and perform high-precision measurements of the lepton counterpart of the Cabibbo-Kobayashi-Maskawa matrix. In this paper the status of these studies will be summarized, focusing on the options that are best suited to exploit existing European facilities (firstly CERN and the INFN Gran Sasso Laboratories) or technologies where Europe has a world leadership. Similar considerations will be developed in more exotic scenarios -beyond the standard framework of flavor oscillation among three active neutrinos- that might appear plausible in the occurrence of anomalous results from post-MiniBooNE experiments or the CNGS. © Societa Italiana di Fisica.

研究动机与目标

• 基于θ13的即将测量结果，识别欧洲未来加速器中微子物理设施的最佳方案。
• 最大化利用欧洲现有基础设施（特别是CERN和LNGS）以支持下一代中微子实验。
• 评估不同θ13情景下各种实验方法（CNGS、Betabeam、中微子工厂、LAr TPC）的可行性与物理潜力。
• 探索非标准模型物理机遇，特别是基于MiniBooNE和LSND异常现象。
• 促进欧洲粒子物理、核物理与探测器技术开发之间的协同效应。

提出的方法

• 分析CNGS在专用模式下测量νµ →νe振荡的物理潜力，具有低物质效应和余弦依赖的CP相位敏感性。
• 评估基于SPS的Betabeam，利用高Q值放射性离子作为中能中微子源，用于研究θ13与CP。
• 提出在CERN或RAL建设中微子工厂，作为测量混合参数精度最高的终极设施。
• 评估液氩时间投影室（LAr TPC）在高精度探测νe与ντ振荡中的作用。
• 考虑利用现有束流线（如CERN-PS）通过升级LAr探测器，测试MiniBooNE和LSND异常现象。
• 建立不同θ13值对实验策略的影响模型，包括探测器尺寸、基线长度与束流强度需求。

实验结果

研究问题

• RQ1 基于θ13的测量值，测量中微子扇区CP破坏的最优实验策略是什么？
• RQ2 如何最有效地重新利用或升级CERN和LNGS等欧洲现有设施，以支持未来的中微子振荡实验？
• RQ3 与T2K或NOvA相比，CNGS在非高峰时段运行时，其在CP相位测量方面有何物理优势？
• RQ4 当θ13较小时，Betabeam或中微子工厂设施能否提供测量δ和质量顺序所需的精度？
• RQ5 液氩探测器技术在解决MiniBooNE和LSND异常现象以及未来长基线实验中扮演何种角色？

主要发现

• 若θ13较大（>8°），通过高分辨率探测器进行专用CNGS运行，可实现独立于T2K的CP相位测量，具有对cosδ的敏感性，且物质效应更小。
• 对于小θ13值，CERN的SPS基Betabeam可实现νµ →νe振荡实验，利用LNGS处的高密度铁量能器，同时借助现有的核物理研发基础。
• 在CERN或RAL建设的中微子工厂将提供测量δ和中微子质量顺序的最高精度，尽管预计在2020年以后才能实现。
• 在LNGS部署20千吨液氩探测器，可通过观测物质效应来确定中微子质量顺序，从而补充T2K和NOvA实验。
• 在无Betabeam或中微子工厂的情况下，LNGS实验大厅在小θ13情景下利用率不足；因此提出积极研发10万吨LAr TPC作为长期替代方案。
• CNGS实验探测ντ带电流相互作用的能力，可直接检验标准三中微子框架，仍是关键验证步骤。