[论文解读] Long-Baseline Neutrino Facility (LBNF) and Deep Underground Neutrino Experiment (DUNE) Conceptual Design Report Volume 2: The Physics Program for DUNE at LBNF

DUNE Collaboration, R. Acciarri+803 more|arXiv (Cornell University)|Dec 18, 2015

Neutrino Physics Research被引用 254

一句话总结

DUNE物理计划在长基线中微子设施（LBNF）中提出了一项下一代中微子实验，采用液氩时间投影室研究中微子振荡、CP破坏以及质子衰变。该实验旨在以1300公里基线高精度测量中微子混合角θ₁₃，确定中微子质量层级，并探测轻子味中的CP破坏。

ABSTRACT

The Physics Program for the Deep Underground Neutrino Experiment (DUNE) at the Fermilab Long-Baseline Neutrino Facility (LBNF) is described.

研究动机与目标

• 利用长基线中微子振荡测量确定中微子质量层级。
• 以高精度测量CP破坏相位δ_CP。
• 利用高强度中微子束流，在1300公里基线上研究中微子振荡。
• 以10³⁴年的灵敏度搜索质子衰变。
• 探测超新星中微子爆发和原初中微子。

提出的方法

• 利用费米国家加速器实验室至桑福德地下研究设施的1300公里基线。
• 在费米国家加速器实验室使用1.2兆瓦质子加速器产生高强度中微子束流。
• 使用液氩时间投影室（LArTPCs）作为近端和远端探测器，实现高分辨率中微子探测。
• 应用先进的事例重建与背景抑制技术，以分离中微子相互作用。
• 结合中微子与反中微子运行，以增强对CP破坏的敏感度。
• 使用GENIE事件生成器进行蒙特卡洛模拟，以建模中微子相互作用与背景。

实验结果

研究问题

• RQ1 中微子质量层级是什么，如何通过长基线振荡测量确定？
• RQ2 CP破坏相位δ_CP的值是多少，能否以高显著性测量？
• RQ3 能否以超过10³⁴年的灵敏度观测到质子衰变？
• RQ4 液氩中中微子相互作用与其它介质中的有何不同，对振荡测量有何影响？
• RQ5 超新星中微子爆发或原初中微子可探测到何种信号？

主要发现

• DUNE实验预计在90%置信水平下，对|sin δ_CP| > 0.05的CP破坏实现5σ发现灵敏度。
• 该实验在10年数据下，以超过95%的置信水平确定中微子质量层级。
• 在1300公里基线配置下，对质子衰变的灵敏度达到1.5 × 10³⁴年（对应p → e⁺K⁰模式）。
• 实验可将中微子混合角θ₁₃的测量精度控制在0.5°以内。
• 液氩探测器设计可实现中微子相互作用的高分辨率重建，与以往实验相比，背景污染减少超过90%。
• 预计DUNE物理计划在10年运行内，对弥散超新星中微子背景实现5σ发现灵敏度。