[论文解读] NOvA: Present and Future

Gavin S. Davies|arXiv (Cornell University)|Oct 1, 2011

Neutrino Physics Research参考文献 3被引用 5

一句话总结

NOvA 是一项长基线中微子振荡实验，使用位于明尼苏达州的14千吨远端探测器和位于费米实验室的222吨近端探测器，两者相距810公里，旨在研究μ子中微子到电子中微子的振荡。该实验测量θ₁₃，探测CP破坏，并通过来自NuMI束线的窄带2 GeV中微子束确定中微子质量层级，数据采集始于2013年，此前已通过NDOS原型机完成验证。

ABSTRACT

NOvA is a next generation neutrino oscillation experiment designed to search for muon neutrino to electron neutrino oscillations by comparing electron neutrino event rates in a Near Detector at Fermilab with the rates observed in a large Far Detector at Ash River, Minnesota, 810 km from Fermilab. The detectors are totally active, segmented, liquid scintillator detectors and are located 14 mrad off the NuMI beam axis. The Far Detector has begun construction and will begin taking data in early 2013. The experiment aims to measure the neutrino mixing angle theta_13 and will push the search for electron neutrino appearance beyond the current limits by more than an order of magnitude. For non-zero theta_13, it is possible for NOvA to observe CP violation in neutrinos and establish the neutrino mass hierarchy. The NOvA prototype near detector on the surface (NDOS) began running at Fermilab in November and registered its first neutrinos from the NuMI beam in December 2010. An overview and current status of the experiment will be presented.

研究动机与目标

• 通过长基线实验中电子中微子的出现，高精度测量中微子混合角θ₁₃。
• 通过比较近端和远端探测器的事件率，确定中微子质量层级。
• 通过观察νμ→νe与ν̄μ→ν̄e振荡概率的差异，搜索中微子味中CP破坏的证据。
• 通过将电子中微子出现的灵敏度提高一个数量级以上，超越当前限制。
• 在大规模远端探测器建设之前，通过NDOS原型机验证探测器和束线系统。

提出的方法

• 实验在距离费米实验室NuMI束线源810公里的明尼苏达州阿什里弗部署了14千吨液态塑料闪烁体探测器，探测器位于偏离轴线14 mrad的位置，以在振荡最大值处获得最大灵敏度。
• 费米实验室的222吨近端探测器用于测量初始中微子通量和能谱，从而实现与远端探测器的系统不确定性抵消。
• 探测器被分段，由填充有液态闪烁体（5%假枯烯溶于矿物油）的高反射性PVC腔室组成，通过波长位移光纤和雪崩光电二极管（APDs）读出光信号。
• 通过滑动堆叠和改进的射频系统，将NuMI束流功率升级至700 kW，使质子强度提高至每脉冲4.9×10¹³，年总质子数为6.0×10²⁰ POT。
• 通过偏离轴线14 mrad的位置将中微子能量调节至约2 GeV，以最小化高能中性流事件带来的背景干扰。
• 利用NDOS原型机获取的宇宙射线和中微子数据，对重建算法和探测器稳定性进行校准、对齐和验证。

实验结果

研究问题

• RQ1 中微子混合角θ₁₃的值是多少？其测量精度是否足以确认非零值？
• RQ2 NOvA能否利用νμ→νe振荡数据确定中微子质量层级（正常或倒置）？
• RQ3 实验是否通过νμ→νe与ν̄μ→ν̄e振荡率的差异，观测到中微子味中CP破坏的证据？
• RQ4 中微子通量和截面建模的系统不确定性在多大程度上影响振荡参数的测量？
• RQ5 NDOS原型机在多大程度上验证了大规模远端探测器的设计、建造和运行程序？

主要发现

• NDOS原型机于2010年10月开始取数，并于2010年12月成功探测到来自NuMI束流的首批中微子，验证了探测器设计和束线的可行性。
• NDOS在反向磁铁电流下收集了5.6×10¹⁹ POT，在正向磁铁电流下收集了8.4×10¹⁸ POT，分别获得1001个和253个候选中微子事例，预期宇宙射线背景分别为69个和39个。
• 利用宇宙射线重建校准了因光纤衰减导致的信号脉冲幅度差异，提高了探测器各单元能量响应的一致性。
• NDOS发现约22%的集管盖在模块组装过程中出现开裂，因此为远端探测器重新设计了更坚固的盖子。
• 表面污染和密封问题导致274个APD出现噪声，促使为远端探测器开发了改进的表面涂层和安装技术。
• 阿什里弗远端探测器建筑于2011年4月实现有益占用，14千吨探测器的建设按计划进行，预计2012年开始取数。