[论文解读] nuSTORM - Neutrinos from STORed Muons: Proposal to the Fermilab PAC

D. Adey, Sanjib Kumar Agarwalla+111 more|arXiv (Cornell University)|Jul 31, 2013

Muon and positron interactions and applications被引用 15

一句话总结

nuSTORM 在费米实验室提出了一项专用中微子设施，利用储存的3.8 GeV/c缪子产生高强度、校准精确的电子中微子和缪子中微子束。该设施可实现中微子-核截面测量的1%精度水平，并对惰性中微子振荡具有10σ的探测灵敏度，同时作为未来缪子加速器的原型。

ABSTRACT

The nuSTORM facility has been designed to deliver beams of electron neutrinos and muon neutrinos (and their anti-particles) from the decay of a stored muon beam with a central momentum of 3.8 GeV/c and a momentum acceptance of 10%. The facility is unique in that it will: 1. Allow searches for sterile neutrinos of exquisite sensitivity to be carried out; 2. Serve future long- and short-baseline neutrino-oscillation programs by providing definitive measurements of electron neutrino and muon neutrino scattering cross sections off nuclei with percent-level precision; and 3. Constitutes the crucial first step in the development of muon accelerators as a powerful new technique for particle physics. The document describes the facility in detail and demonstrates its physics capabilities. This document was submitted to the Fermilab Physics Advisory Committee in consideration for Stage I approval.

研究动机与目标

• 利用储存缪子产生的精确校准中微子束，开展对惰性中微子的决定性搜索。
• 以百分之一精度水平测量电子中微子和缪子中微子的中微子-核散射截面。
• 通过展示六维离子化冷却和先进磁铁设计，作为未来缪子加速器的技术验证平台。
• 通过精确的束流和探测器表征，为长基线和短基线中微子振荡计划提供关键基础。

提出的方法

• 利用3.8 GeV/c的储存缪子束（10%动量接受度）在衰变环中通过μ⁺/μ⁻衰变产生中微子。
• 在2000米基线处使用磁化铁质中微子探测器，在20米处使用近探测器，研究在出现和消失两种通道中的活性-惰性振荡。
• 采用超导传输线（STL）概念，生成大体积、均匀的磁场（最高0.58 T），避免使用大型真空低温杜瓦。
• 使用由STL电缆制成的150匝螺线管，含7500米超导电缆，通过4.5–6.0 K的超临界氦冷却，实现高场均匀性和机械稳定性。
• 采用40层多层超绝缘和挤压铝热屏蔽，最大限度降低热负荷，维持低温运行。
• 使用1米厚的铁质端壁模拟磁场性能，以增强场均匀性，在50 kA励磁电流下实现约0.58 T的平均场。

实验结果

研究问题

• RQ1 在νₑ → νₘᵤ出现通道中，nuSTORM能否以10σ显著性排除当前允许的惰性中微子振荡参数空间？
• RQ2 nuSTORM对νₑ消失振荡（由于振荡至惰性态）的灵敏度如何？能否最终排除观测到的异常信号？
• RQ3 能否利用校准精确的束流，以百分之一精度水平测量电子中微子和缪子中微子的中微子-核截面？
• RQ4 超导传输线（STL）概念是否可行，用于在探测器螺线管中生成大体积、高均匀性磁场（最高0.58 T），且无需大型真空低温杜瓦？
• RQ5 基于STL的磁铁设计能否在保持场质和热稳定性的同时，降低传统超导线圈中主导成本的大型真空低温杜瓦？

主要发现

• nuSTORM束流可在10σ显著性水平下排除νₑ → νₘᵤ出现通道中当前允许的惰性中微子振荡参数空间。
• 在νₑ消失通道中，nuSTORM具备足够的统计能力，可排除目前允许的整个惰性中微子振荡区域。
• 利用校准精确的束流和探测器构型，电子中微子和缪子中微子的中微子-核散射截面可实现约1%的测量精度。
• 采用1米厚铁质端壁的STL螺线管设计，在50 kA励磁电流下实现平均磁场0.58 T，且在xz平面具有优异的场均匀性。
• STL螺线管所受最大径向和轴向力分别为16 kN/m和40 kN/m，表明在运行条件下具有机械可行性。
• STL的估算成本约为每米500美元，显著降低了传统超导线圈中大型真空低温杜瓦这一主要成本驱动因素。