[论文解读] Hyper-Kamiokande Design Report

KE. Abe|Lancaster EPrints (Lancaster University)|May 9, 2018

Neutrino Physics Research参考文献 10被引用 430

一句话总结

Hyper-Kamiokande 是日本设计用于长期基线中微子振荡、质子衰变搜索、地球大气与天体中微子探测的下一代大型水切伦科夫探测器，正在考虑在韩国设立第二台探测器。

ABSTRACT

On the strength of a double Nobel prize winning experiment (Super)Kamiokande and an extremely successful long baseline neutrino programme, the third generation Water Cherenkov detector, Hyper-Kamiokande, is being developed by an international collaboration as a leading worldwide experiment based in Japan. The Hyper-Kamiokande detector will be hosted in the Tochibora mine, about 295 km away from the J-PARC proton accelerator research complex in Tokai, Japan. The currently existing accelerator will be steadily upgraded to reach a MW beam by the start of the experiment. A suite of near detectors will be vital to constrain the beam for neutrino oscillation measurements. A new cavern will be excavated at the Tochibora mine to host the detector. The experiment will be the largest underground water Cherenkov detector in the world and will be instrumented with new technology photosensors, faster and with higher quantum efficiency than the ones in Super-Kamiokande. The science that will be developed will be able to shape the future theoretical framework and generations of experiments. Hyper-Kamiokande will be able to measure with the highest precision the leptonic CP violation that could explain the baryon asymmetry in the Universe. The experiment also has a demonstrated excellent capability to search for proton decay, providing a significant improvement in discovery sensitivity over current searches for the proton lifetime. The atmospheric neutrinos will allow to determine the neutrino mass ordering and, together with the beam, able to precisely test the three-flavour neutrino oscillation paradigm and search for new phenomena. A strong astrophysical programme will be carried out at the experiment that will detect supernova neutrinos and will measure precisely solar neutrino oscillation.

研究动机与目标

• 基于 Super-Kamiokande 和 T2K 的基础上，推动建设更大、更高灵敏度的水切伦科夫探测器，以解决中微子振荡、CP 违反、核子衰变和天体中微子等问题背景下的研究需求。
• 描述实验配置，包括 J-PARC 射束、近/中间探测器、探测器洞穴、罐体设计、水系统和光探测器。
• 概述 Hyper-Kamiokande 的软件、标定、背景估算以及计算需求。
• 展示在加速器源、地大气、太阳和天体中微子领域的物理潜力，以及韩国第二台探测器的可能性和日本第二罐的选项。

提出的方法

• 提出一个两台圆柱形罐（高度 60 m，直径 74 m）在 40% 光覆盖率下的设计。
• 将升级后的 J-PARC 射束（可达到 MW 级）与近端探测器（ND280 组、中间探测器）以及偏轴束配置整合。
• 构建完整的探测器基础设施，包括洞穴、水净化/循环、光探测器（内/外部探测器）、电子学、DAQ、标定和软件（WCSim、FiTQun、BONSAI）。
• 评估背景源（氡气、μ子自碎、中子）以及模拟和数据处理的计算需求。
• 提供对中微子振荡（束流与地大气）、核子衰变、太阳和天体中微子、暗物质信号，以及潜在第二探测器的物理触达分析。
• 讨论与 T2K、Super-K、DUNE 的协同作用，以最大化物理产出。

实验结果

研究问题

• RQ1 Hyper-Kamiokande 在 1.3 MW 射束与 2.5 度偏轴配置下，10 年内对李群 CP 损失的灵敏度可以达到何种水平？
• RQ2 Hyper-Kamiokande 能否通过结合束流与大气数据，确定中微子质量层级并细化 θ23 与 Δm^2_32？
• RQ3 在关键通道如 p→e+π0 与 p→ν̄K+，Hyper-Kamiokande 的质子衰变寿命预测极限是多少？
• RQ4 Hyper-Kamiokande 能否更好地观测太阳、超新星、遗留背景等天体中微子源并约束新物理？
• RQ5 韩国第二台探测器的设计与性能需求，以及可能增加的第二罐以提升灵敏度的条件是什么？

主要发现

• Hyper-Kamiokande 旨在在大多数 δCP 值下实现对 δCP 的显著性小于 23 度的精度（以假设参数为前提）。
• 在指定条件下，该实验在 δCP 空间的 76% 达到 CP 违反的 >3σ 证据，在 57% 的 δCP 空间达到 >5σ。
• 对质子衰变通道（如 p→e+π0、p→ν̄K+）的寿命预测达到约 10^34–10^35 年的数量级，暴露量为 1.9 Mton·years。
• 对于大气和束流+大气分析的年度化灵敏度，在 10 年内显示出对质量顺序的改进确定性以及 θ23 八分量分辨率的提升。
• 天体中微子计划包括太阳中微子、超新星中微子、遗留超新星中微子以及与 WIMP 相关的信号，借助 Hyper-Kamiokande 的低能阈值和大目标质量。