[论文解读] Measurement of Atmospheric Neutrino Oscillations with a High-Density Detector

A. Curioni, G. Mannocchi+4 more|ArXiv.org|May 7, 1998

Astrophysics and Cosmic Phenomena被引用 3

一句话总结

本文提出建造一座30千吨级高密度铁-闪烁体探测器，通过消失（L/E依赖性）和出现（向上穿行的τ中微子事例）两种技术测量大气中微子振荡。该实验旨在探测Δm² > 10⁻⁴ eV²的νμ ↔ νx振荡，并确定νx是惰性中微子还是τ中微子，利用现有设备以加速部署并降低研发成本。

ABSTRACT

We propose an experiment to test the hypothesis that the reported anomaly on atmospheric neutrino fluxes is due to nu_mu nu_x oscillations. It will rely both on a disappearance technique, exploiting the method of the dependence of the event rate on L/E, which was recently shown to be effective for detection of neutrino oscillation and measurement of the oscillation parameters, and on an appearance technique, looking for an excess of muon-less events at high energy produced by upward-going tau neutrinos. The detector will consist of iron planes interleaved by limited streamer tubes. The total mass will be about 30 kt. The possibility of recuperating most of the instrumentation from existing detectors allows to avoid R&D phases and to reduce construction time. In four years of data taking, this experiment will be sensitive to oscillations nu_mu nu_x with Delta m^2 > 10^-4 eV^2 and a mixing near to maximal, and answer the question whether nu_x is a sterile or a tau neutrino.

研究动机与目标

• 检验观测到的大气中微子通量异常源于νμ ↔ νx振荡的假设。
• 区分振荡态νx是惰性中微子还是τ中微子。
• 利用L/E依赖性方法测量νμ消失的振荡参数。
• 探测高能向上穿行的τ中微子事例，作为振荡出现的信号。
• 通过复用现有探测器设备实现快速部署，最大限度减少研发和建设时间。

提出的方法

• 利用由交错铁板和有限丝室管组成的高密度探测器，探测中微子相互作用产生的带电粒子。
• 测量事例率对L/E（基线长度与中微子能量之比）的依赖关系，以识别由振荡引起的νμ消失。
• 在高能区搜索μ子缺失事例的过量，以作为νμ振荡产生τ中微子的信号。
• 复用现有探测器组件，以减少开发时间和建设成本。
• 运行探测器四年，以获得对Δm² > 10⁻⁴ eV²和近最大混合的足够灵敏度。
• 利用探测器的大质量（约30千吨）提升统计能力，增强对稀有振荡信号的灵敏度。

实验结果

研究问题

• RQ1 大气中微子通量异常是否由νμ ↔ νx振荡引起？
• RQ2 振荡态νx的本质是什么——是惰性中微子还是τ中微子？
• RQ3 L/E依赖性方法能否有效测量大气中微子中νμ的消失？
• RQ4 能否以足够灵敏度探测到向上穿行的τ中微子事例的出现？
• RQ5 在多大程度上可复用现有探测器硬件以加速建设并降低成本？

主要发现

• 该实验在四年的数据采集期内可探测Δm² > 10⁻⁴ eV²的νμ ↔ νx振荡。
• 可实现对近最大混合的灵敏度，从而区分惰性中微子与τ中微子假设。
• L/E依赖性方法在探测νμ消失和测量振荡参数方面是有效的。
• 高能、无μ子的向上穿行τ中微子事例的出现，为振荡确认提供了互补信号。
• 复用现有仪器设备可实现快速部署，并显著缩短研发和建设周期。
• 30千吨的探测器质量可确保足够的统计量，以高显著性解决大气中微子异常问题。