[论文解读] Neutrino mass hierarchy determination and other physics potential of medium-baseline reactor neutrino oscillation experiments

A. B. Balantekin, X.-G. Lu+26 more|arXiv (Cornell University)|Jul 28, 2013

Neutrino Physics Research参考文献 38被引用 26

一句话总结

本文提出利用大型液态闪烁体探测器开展中等基线反应堆中微子振荡（MBRO）实验，以确定中微子质量序（MH）并以亚百分之一精度测量振荡参数。通过利用由大气质量平方差驱动的能量依赖性振荡，并实现约~3%/√E(MeV)的能量分辨率和精确的能量刻度，MBRO实验可实现2–2.5σ的MH敏感度，从而为PMNS矩阵幺正性检验及无中微子双贝塔衰变提供约束。

ABSTRACT

Medium-baseline reactor neutrino oscillation experiments (MBRO) have been proposed to determine the neutrino mass hierarchy (MH) and to make precise measurements of the neutrino oscillation parameters. With sufficient statistics, better than ~3%/\sqrt{E} energy resolution and well understood energy non-linearity, MH can be determined by analyzing oscillation signals driven by the atmospheric mass-squared difference in the survival spectrum of reactor antineutrinos. With such high performance MBRO detectors, oscillation parameters, such as \sin^22θ_{12}, Δm^2_{21}, and Δm^2_{32}, can be measured to sub-percent level, which enables a future test of the PMNS matrix unitarity to ~1% level and helps the forthcoming neutrinoless double beta decay experiments to constrain the allowed values. Combined with results from the next generation long-baseline beam neutrino and atmospheric neutrino oscillation experiments, the MH determination sensitivity can reach higher levels. In addition to the neutrino oscillation physics, MBRO detectors can also be utilized to study geoneutrinos, astrophysical neutrinos and proton decay. We propose to start a U.S. R&D program to identify, quantify and fulfill the key challenges essential for the success of MBRO experiments.

研究动机与目标

• 利用高精度探测器开展中等基线反应堆中微子振荡（MBRO）实验，以确定中微子质量序（MH）。
• 以亚百分之一精度测量中微子振荡参数，包括 sin²2θ₁₂、Δm²₂₁ 和 Δm²₃₂。
• 通过精确的参数测量，实现在约1%水平下的PMNS混合矩阵直接幺正性检验。
• 通过约束有效电子中微子质量 ⟨mββ⟩，为未来无中微子双贝塔衰变实验提供支持。
• 探索质量序之外的其他物理，包括地球中微子、天体物理中微子及质子衰变。

提出的方法

• 在距离核反应堆 >30 km 的基线上使用大型液态闪烁体（LS）探测器，观测由 Δm²₂₁ 和 Δm²₃₂ 驱动的反中微子生存概率振荡。
• 采用 χ²min 比较法，基于大气质量平方差引起的能谱形状差异，区分正常与反常质量序。
• 采用双探测器设计，结合基线比值法，以减少质量序确定中的系统不确定性。
• 通过放射性核素源和可调谐单能正电子束，实施综合能量刻度系统，以控制能量非线性与绝对能量标度不确定性。
• 在绝对能量刻度困难时，采用傅里叶分析或谱比法，以减轻反应堆通量不确定性的影晌。
• 将MBRO数据与长基线束流及大气中微子实验（如NOνA、T2K、INO、PINGU、ORCA）相结合，通过 Δm²₃₂ 约束的互补性，提升质量序敏感度。

实验结果

研究问题

• RQ1 中等基线反应堆中微子实验是否能够实现足够的能量分辨率与刻度精度，以在 >2σ 显著性下确定中微子质量序？
• RQ2 探测器能量分辨率与非线性能量响应如何影响质量序敏感度？需要何种校准策略以减轻这些影响？
• RQ3 反应堆通量不确定性在多大程度上限制质量序的确定？基于比值的方法能否降低其依赖性？
• RQ4 质量序的离散性对质量序搜索中统计置信度估计有何影响？
• RQ5 MBRO实验对振荡参数的精确测量，如何支持未来PMNS矩阵幺正性检验及无中微子双贝塔衰变研究？

主要发现

• 在约~3%/√E(MeV)能量分辨率和良好控制的能量非线性条件下，MBRO实验可实现2–2.5σ的中微子质量序敏感度（Δχ² = 16–25）。
• 能量非线性偏差会显著降低质量序敏感度，因此必须配备专用能量校准系统，以维持亚百分之一的能量标度不确定性。
• 傅里叶法或谱比法可降低对反应堆通量不确定性的敏感度，但对绝对能量标度精度的要求更高。
• 在约30 km基线处采用双探测器构型，可减轻对能量校准的严苛要求，并提升质量序敏感度。
• 通过优化的MBRO探测器，可实现对 sin²2θ₁₂、Δm²₂₁ 和 Δm²₃₂ 的亚百分之一精度测量，从而在约1%水平下实现PMNS矩阵幺正性的直接检验。
• 将MBRO数据与下一代长基线及大气中微子实验相结合，可通过 Δm²₃₂ 约束的系统性差异，增强质量序敏感度。