[论文解读] Neutrinos from Stored Muons (nuSTORM)

L. Alvarez Ruso, T. Alves+10 more|arXiv (Cornell University)|Mar 14, 2022

Muon and positron interactions and applications被引用 6

一句话总结

nuSTORM 提出建设一个专用设施，将μ子存储在环中，以产生精确表征的中微子束流，用于高精度截面测量。通过存储μ子并测量其衰变产物，该设施将中微子通量不确定性降低至1%以下，为DUNE和Hyper-K实验提供确定性输入，并推动未来μ子对撞机发展所需的μ子冷却技术。

ABSTRACT

The 2020 Update of the European Strategy for Particle Physics (ESPP) (see https://cds.cern.ch/record/2720129 ) recommended that muon beam R\&D should be considered a high-priority future initiative and that a programme of experimentation be developed to determine the neutrino cross-sections required to extract the most physics from the DUNE and Hyper-K long-baseline experiments. The ENUBET and nuSTORM collaborations have begun to work within and alongside the CERN Physics Beyond Colliders study group and the international Muon Collider collaboration to carry out a joint, five-year R\&D programme to deliver a detailed plan for the implementation of an infrastructure in which: (1) ENUBET and nuSTORM deliver the neutrino cross-section measurement programme identified in the ESPP and allow sensitive searches for physics beyond the Standard Model to be carried out; and in which \ (2) A 6D muon ionisation cooling experiment is delivered as part of the technology development programme defined by the international Muon Collider collaboration. This document summarises the status of development of the nuSTORM and 6D cooling experiments and identifies opportunities for collaboration in the development of the initiative outlined above.

研究动机与目标

• 解决对精确中微子截面测量的需求，以最大化未来长基线实验（如DUNE和Hyper-K）的物理探测能力。
• 通过直接监测存储μ子束流衰变产物，将中微子通量不确定性从约7%-10%降低至约1%。
• 作为国际μ子对撞机合作的一部分，为六维μ子离子化冷却技术发展提供技术路径。
• 通过精确已知的中微子束流，实现对标准模型之外物理现象的敏感搜索。
• 在300 MeV至5.5 GeV能量范围内，提供针对中微子-核子散射的确定性测量计划，该范围与DUNE和Hyper-K密切相关。

提出的方法

• 在6 GeV/c动量环中存储μ子，动量展宽为±16%，通过μ子衰变产生定义明确的中微子束流。
• 在储存环中使用精密仪器监测衰变产物（如电子、正电子），以高精度确定中微子通量和能谱。
• 利用“窄带离轴技术”，通过相互作用顶点位置，在单个中微子水平上实现约10%的中微子能量精度。
• 采用与DUNE和Hyper-K近端探测器相似的先进中微子探测技术，实现高精度散射测量。
• 对传输线和弯道中的π子和μ子衰变等背景源进行建模与抑制，显示在5 GeV时污染低于0.01%，在3 GeV时低于0.03%。
• 利用受控的Ke3衰变（K⁺→π⁰e⁺νₑ）直接测量νₑ通量，精度约为1%，与通过监测μ子衰变获得的νₘᵤ测量结果互补。

实验结果

研究问题

• RQ1 存储μ子设施能否实现对νₑ和νₘᵤ束流的中微子通量不确定性低于1%？
• RQ2 在离轴几何结构中，仅通过顶点位置信息，中微子能谱的高精度确定程度如何？
• RQ3 π子和μ子在束流传输线和弯道中的衰变所导致的主导背景贡献是什么？这些背景是否可忽略以实现精密测量？
• RQ4 nuSTORM设施能否在300 MeV至5.5 GeV能量范围内提供确定性的中微子-核子截面测量？
• RQ5 该设施在支持未来μ子对撞机应用中六维μ子离子化冷却技术发展方面，效率如何？

主要发现

• 通过直接监测衰变产物，特别是利用Ke3衰变测量νₑ和通过监测μ子衰变测量νₘᵤ，中微子通量不确定性降低至约1%或以下。
• 利用窄带离轴技术，仅基于相互作用顶点位置，可在单个中微子水平上以约10%的精度确定中微子能谱。
• 传输线中π子和μ子衰变的背景贡献可忽略不计：在5 GeV时低于0.01%，在3 GeV时低于0.03%，且这些来源产生的中微子能量极低。
• 首个弯道区域的衰变贡献最多约1%的背景，实际水平预计更低，因束流损失和衰变静止主导所致。
• 由于产生率较低且在中微子接受度方面无显著优势，K介子衰变的贡献可忽略不计。
• 该设施能够在整个300 MeV至5.5 GeV范围内提供校准良好的中微子束流，覆盖DUNE和Hyper-K关注的物理动力学窗口。