[论文解读] European Strategy for Accelerator-Based Neutrino Physics

S. Bertolucci, Alain Blondel+23 more|arXiv (Cornell University)|Aug 2, 2012

Neutrino Physics Research参考文献 6被引用 17

一句话总结

本文提出了一项协调一致的欧洲加速器中微子物理战略，倡导以欧洲核子研究中心（CERN）的SPS设施为核心的长基线中微子计划。该战略建议采取双轨并进的方式：一是将常规中微子束（CN2PY）送往芬兰的Pyhasalmi矿洞，二是建设能量为10 GeV的中微子工厂，用于高精度研究CP violation现象。两项计划均旨在解决中微子振荡和惰性中微子探测中的关键科学问题。

ABSTRACT

Massive neutrinos reveal physics beyond the Standard Model, which could have deep consequences for our understanding of the Universe. Their study should therefore receive the highest level of priority in the European Strategy. The discovery and study of leptonic CP violation and precision studies of the transitions between neutrino flavours require high intensity, high precision, long baseline accelerator neutrino experiments. The community of European neutrino physicists involved in oscillation experiments is strong enough to support a major neutrino long baseline project in Europe, and has an ambitious, competitive and coherent vision to propose. Following the 2006 European Strategy for Particle Physics (ESPP) recommendations, two complementary design studies have been carried out: LAGUNA/LBNO, focused on deep underground detector sites, and EUROnu, focused on high intensity neutrino facilities. LAGUNA LBNO recommends, as first step, a conventional neutrino beam CN2PY from a CERN SPS North Area Neutrino Facility (NANF) aimed at the Pyhasalmi mine in Finland. A sterile neutrino search experiment which could also be situated in the CERN north area has been proposed (ICARUS-NESSIE) using a two detector set-up, allowing a definitive answer to the 20 year old question open by the LSND experiment. EUROnu concluded that a 10 GeV Neutrino Factory, aimed at a magnetized neutrino detector situated, also, at a baseline of around 2200 km (+-30%), would constitute the ultimate neutrino facility; it recommends that the next 5 years be devoted to the R&D, preparatory experiments and implementation study, in view of a proposal before the next ESPP update. The coherence and quality of this program calls for the continuation of neutrino beams at CERN after the CNGS, and for a high priority support from CERN and the member states to the experiments and R&D program.

研究动机与目标

• 建立一项高优先级、协调一致的欧洲加速器中微子物理计划，以探索标准模型之外的新物理。
• 通过长基线实验解决轻子CP破坏与中微子混合参数的根本性问题。
• 支持下一代中微子设施的发展，包括中微子工厂与深地下的探测器。
• 确保CERN在CNGS计划之后仍能持续获得中微子束运行支持。
• 为下一次欧洲粒子物理战略（ESPP）更新提供一个连贯、具有竞争力且科学上坚实的路线图。

提出的方法

• 提议从CERN的SPS北区中微子设施（NANF）发射常规中微子束（CN2PY），射向芬兰的Pyhasalmi矿洞，基线距离约为2200公里。
• 建议在CERN北区设置双探测器系统（ICARUS-NESSIE），以探测惰性中微子，基于LSND异常信号的线索。
• 概述了10 GeV中微子工厂的设计研究，作为实现中微子振荡高精度测量的终极设施。
• 倡导开展为期5年的研发与筹备阶段，以开发相关技术并开展中微子工厂的实施研究。
• 整合两项互补的设计研究：LAGUNA/LBNO（聚焦深地探测器）与EUROnu（聚焦高强度中微子源）。
• 强调需要CERN与成员国协调基础设施与资金投入，以确保长期计划的可持续性。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否在长基线中微子振荡实验中观测到轻子CP破坏？
• RQ2 LSND异常信号的本质是什么？能否通过专门的惰性中微子探测实验予以确认或排除？
• RQ3 未来中微子工厂的最佳参数应如何设定，以实现对中微子混合参数测量的最高精度？
• RQ4 如何构建一个连贯、大规模的欧洲中微子计划，以最大化科学影响力并保持国际竞争力？
• RQ5 为实现在下一次ESPP更新前建成10 GeV中微子工厂，需要哪些基础设施与研发投资？

主要发现

• 从CERN的SPS向芬兰Pyhasalmi矿洞输送的CN2PY中微子束，可实现基线约为2200公里的可行且高精度的长基线中微子实验。
• ICARUS-NESSIE双探测器系统被提议作为LSND异常现象的决定性检验手段，能够解决长达20年的惰性中微子疑问。
• 10 GeV中微子工厂被确认为中微子振荡高精度研究的终极设施，可实现对CP破坏的最高灵敏度。
• EUROnu研究得出结论：在正式提交下一版ESPP更新提案之前，必须开展为期5年的研发与实施阶段。
• 该战略呼吁在CNGS计划之后持续支持CERN的中微子束运行，以维持科学进展与基础设施准备状态。
• LAGUNA/LBNO与EUROnu两项设计研究的整合，为欧洲下一阶段重大中微子计划提供了连贯且以科学为导向的路线图。