[论文解读] Hyper-Kamiokande Experiment: A Snowmass White Paper

J. Bian|arXiv (Cornell University)|Mar 3, 2022

Astrophysics and Cosmic Phenomena被引用 15

一句话总结

Hyper-Kamiokande (HK) 是下一代水切伦科夫中微子探测器，有效体积达260,000吨，是超级神冈探测器的8.4倍，20年内可实现3.8 Mton-year的暴露量。它将测量中微子振荡，搜寻质子衰变和暗物质，并研究太阳中微子、大气中微子和超新星中微子，关键灵敏度包括：p→π⁰e⁺模式下质子寿命达10³⁵年，p→ν̄K⁺模式下达3×10³⁴年，同时与DUNE协同探测CP破坏和中微子质量顺序。

ABSTRACT

Hyper-Kamiokande (HK) is the next generation underground water Cherenkov detector that builds on the highly successful Super-Kamiokande (SK) experiment. The 260,000-ton detector has an 8.4 times larger fiducial volume than its predecessor. HK's low energy threshold combined with the very large fiducial volume make the detector unique; HK is expected to acquire an unprecedented exposure of 3.8 Mton-year over a period of 20 years starting in 2027. It has an extremely diverse science program including long-baseline neutrino oscillation measurements, nucleon decay searches, atmospheric neutrinos, neutrinos from the sun and supernova explosions, and neutrinos from other astrophysical origins. Like DUNE, the flagship project of the U.S. high-energy physics program, HK measures fundamental properties of neutrinos such as the search for leptonic CP violation and neutrino physics beyond the Standard Model.

研究动机与目标

• 利用大体积水切伦科夫探测器将质子衰变的搜寻超越当前极限。
• 通过长基线和大气中微子测量探测量子质量顺序与CP破坏。
• 以前所未有的统计精度研究太阳中微子和超新星中微子。
• 通过太阳、地球和银河晕中微子信号搜寻暗物质。
• 通过大气中微子中ντ的出现验证PMNS矩阵的幺正性。

提出的方法

• 利用260,000吨水切伦科夫探测器，有效体积为超级神冈探测器的8.4倍，20年内实现3.8 Mton-year的暴露量。
• 采用J-PARC至Hyper-K的长基线中微子束流，基线距离295 km，能量调谐至约600 MeV的第一次振荡极大值，以实现最佳灵敏度。
• 应用离轴束流技术，提升峰值能量处的中微子通量并降低高能背景。
• 利用高电子/μ子分离效率（亚GeV能区误识别率<1%，多GeV能区约2%）以增强信号探测。
• 结合加速器、大气和天体中微子数据，提升对CP破坏和质量顺序的敏感度。
• 利用大规模超纯水探测器中的切伦科夫光探测与时间信息进行事例重建和本底抑制。

实验结果

研究问题

• RQ1 Hyper-Kamiokande对p→π⁰e⁺和p→ν̄K⁺模式下质子衰变的灵敏度如何？
• RQ2 Hyper-Kamiokande能否利用大气中微子确定中微子质量顺序？
• RQ3 Hyper-Kamiokande在长基线中微子振荡中对轻子CP破坏的预期灵敏度是多少？
• RQ4 Hyper-Kamiokande与DUNE数据结合后，如何改善对非标准中微子相互作用和新物理的约束？
• RQ5 大气中微子中ντ出现的预期事例率是多少？能否用于检验PMNS矩阵的幺正性？

主要发现

• Hyper-Kamiokande在20年运行后，对p→π⁰e⁺模式的质子衰变灵敏度可达10³⁵年，对p→ν̄K⁺模式可达3×10³⁴年。
• 在10年运行中，预计可观测约1,000个大气ντ事例，可实现对ντ截面和轻子普适性的精确研究。
• 在20年数据下，假设已知质量顺序，在正常质量顺序情况下，对δCP的68%置信水平不确定度将小于0.15。
• 将Hyper-Kamiokande的大气中微子数据加入长基线实验，可提升对CP破坏的敏感度，尤其在参数退相干区域。
• Hyper-Kamiokande将对几GeV质量范围内的暗物质提供最灵敏的间接搜寻，通过太阳、地球和银河晕的中微子信号。
• 探测器对大气中微子中ντ出现的显著性将达到4.6σ，证实TeV能量范围内τ中微子事例的存在。