[论文解读] Long-Baseline Neutrino Facility (LBNF) and Deep Underground Neutrino Experiment (DUNE) Conceptual Design Report Volume 1: The LBNF and DUNE Projects

R. Acciarri, M. A. Acero+803 more|arXiv (Cornell University)|Jan 20, 2016

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一句话总结

本概念设计报告介绍了 LBNF/DUNE 项目的理由、组织、进度，以及一个面向 SURF 的 1.2 MW（可升级）宽带中微子束和四个 10 千吨液态氩远检测器的参考设计，目标是在约 2032 年实现 120 kt·MW·year 的暴露量，并在分阶段计划中实现 CP 违反/质量层级敏感性。

ABSTRACT

This document presents the Conceptual Design Report (CDR) put forward by an international neutrino community to pursue the Deep Underground Neutrino Experiment at the Long-Baseline Neutrino Facility (LBNF/DUNE), a groundbreaking science experiment for long-baseline neutrino oscillation studies and for neutrino astrophysics and nucleon decay searches. The DUNE far detector will be a very large modular liquid argon time-projection chamber (LArTPC) located deep underground, coupled to the LBNF multi-megawatt wide-band neutrino beam. DUNE will also have a high-resolution and high-precision near detector.

研究动机与目标

• 将 LBNF/DUNE 计划定位为全球中微子努力汇聚为单一下一代长基线实验的动力。
• 明确科学目标：轻子领域的 CP 违反、中微子质量层级，以及精确的中微子相互作用；以及辅助物理研究。
• 描述项目策略、设施设计、探测器概念，以及为满足 P5/ESPP 建议而设的国际组织结构。
• 提出一个双轨进度表，协调远端站点（SURF）与近端站点（Fermilab）的建设与调试。
• 概述 LBNF、DUNE、Fermilab、CERN 及国际伙伴之间的管理结构与职责。

提出的方法

• 描述科学论证及达到 2032 年实现 120 kt·MW·year 暴露量和 CP 违反敏感性基准所需的性能。
• 提出使用液态氩时间投影腔（LArTPC）技术的四个 10 千吨远检测器模块，分阶段部署。
• 概述束线设计，包括基于 PIP-II 的 1.2 MW 操作以及升级至多兆瓦级功率的潜力。
• 详述 Fermilab 和 SURF 的常规设施、低温与探测器基础设施。
• 采用一个以 CERN 结构为模本的国际治理模型，明确 LBNF 与 DUNE 的职责。

实验结果

研究问题

• RQ1 在所提出的 LBNF/DUNE 设置和束功率演化下，可以达到对中微子质量层级和 CP 违反相位 delta_CP 的何种实验灵敏度？
• RQ2 分阶段部署如何影响早期物理结果以及达到 120 kt·MW·year 暴露量的总体时间表？
• RQ3 通过 DUNE 近端探测器和 LBNF 边束可以获得哪些辅助测量（中微子截面、核子结构、核效应等）？
• RQ4 为了满足 P5/ESPP 的建议，束线与探测器的最佳配置和升级路径有哪些？
• RQ5 应如何组织国际治理与资金以维持建设与运行？

主要发现

• 该计划在 P5 建议下，目标在 2035 年前实现 120 kt·MW·year 的暴露量。
• 计划为 1.2 MW 的束线，可升级到多兆瓦功率，以及地下远端探测器，具有扩展至至少 40 kt LAr fiducial 的洞穴空间。
• 远端探测器将由四个 10-kt 的 LArTPC 模块分阶段安装，以便实现早期科学结果。
• 近端探测器提供高分辨率测量，以控制系统误差并最大化灵敏度。
• DUNE 旨在以较高置信度确定质量层级与 CP 违反，并促进广泛的非加速器物理（大气中微子、超新星、核子衰变等）研究。
• 一个国际组织结构，以 Fermilab 为主办方，CERN 的实物贡献为补充，协调 LBNF 的建设与 DUNE 合作活动。