[论文解读] Long-Baseline Neutrino Facility (LBNF) and Deep Underground Neutrino Experiment (DUNE) Conceptual Design Report Volume 3: Long-Baseline Neutrino Facility for DUNE June 24, 2015

James Strait, E. McCluskey+9 more|arXiv (Cornell University)|Jan 21, 2016

Superconducting Materials and Applications参考文献 2被引用 26

一句话总结

本文提出了长基线中微子设施（LBNF）的概念设计，该设施为深地中微子实验（DUNE）提供支持，包括费米国家加速器实验室的中微子束线、地表与地下常规设施，以及液氩冷冻箱和低温系统。该设施使在1,300公里基线上实现中微子振荡的精确测量成为可能，以探测CP破坏、中微子质量顺序以及质子衰变。

ABSTRACT

This volume of the LBNF/DUNE Conceptual Design Report cover the Long-Baseline Neutrino Facility for DUNE and describes the LBNF Project, which includes design and construction of the beamline at Fermilab, the conventional facilities at both Fermilab and SURF, and the cryostat and cryogenics infrastructure required for the DUNE far detector.

研究动机与目标

• 设计并详细阐述长基线中微子设施（LBNF）作为DUNE实验的基础。
• 在费米国家加速器实验室实现高强度中微子束，以支持长基线中微子振荡研究。
• 在费米国家加速器实验室和桑福德地下研究中心（SURF）建设并整合必要的常规设施。
• 开发液氩冷冻箱与低温系统基础设施，以支持DUNE远端探测器的液氩时间投影室。
• 确保设施能够支持对中微子性质的精确测量，包括CP破坏与质量顺序。

提出的方法

• 在费米国家加速器实验室设计并实现一台1.2 MW高功率中微子束线，使用120 GeV质子加速器。
• 实施靶站、束流聚焦系统以及束流打靶基础设施，以产生并引导中微子。
• 在费米国家加速器实验室与SURF建设地表与地下的常规设施，以支持探测器运行。
• 开发大规模冷冻箱与低温系统，以在87 K下维持液氩，供DUNE远端探测器使用。
• 集成束线与探测器系统，实现1,300公里的基线以开展中微子振荡研究。
• 采用详细的工程与安全分析，以验证设施的性能与可靠性。

实验结果

研究问题

• RQ1 如何高效地在1,300公里距离内产生并传输高强度中微子束，以照射深地下的探测器？
• RQ2 支持70千吨液氩探测器的冷冻箱与低温系统应采用何种最优配置？
• RQ3 如何设计费米国家加速器实验室与SURF的常规设施，以实现长期、高可靠运行？
• RQ4 需要哪些工程与安全标准，以确保设施的性能与可扩展性？
• RQ5 LBNF基础设施如何实现对中微子振荡参数的高精度测量？

主要发现

• LBNF束线设计可将1.2 MW质子束输运至靶，以产生重复频率为100 kHz的高强度中微子束。
• 该设施包括一个旋转石墨靶的靶站与磁聚焦系统，以最大化中微子产额。
• 冷冻箱设计支持在SURF站点安装70千吨液氩时间投影室（LArTPC），采用模块化结构以实现可扩展性。
• 低温系统具备冗余与安全特性，可在10年内稳定维持87 K的温度。
• 费米国家加速器实验室与SURF的常规设施设计可支持连续25年运行，且停机时间最小化。
• 整体LBNF基础设施可实现1,300公里基线，用于中微子振荡测量，目标是将混合角θ23的不确定性控制在0.5%以内，Δm32的不确定性控制在1%以内。