[论文解读] Oscillation Measurements with Upgraded Conventional Neutrino Beams

V. Barger|ArXiv.org|Mar 5, 2001

Neutrino Physics Research被引用 5

一句话总结

本文提出利用升级后的兆瓦级质子加速器产生高强度中微子超束，与下一代实验相比，对 $\nu_e\to\nu_\mu$ 振荡的灵敏度可提升10倍。在大型探测器（例如30千吨液氩探测器）条件下，结果表明可在3σ显著性水平下探测到 $\sin^2 2\theta_{13} \gtrsim 0.003$，在长基线设置中，当 $\sin^2 2\theta_{13} \gtrsim 0.01$ 时可确定中微子质量层级，而CP破坏在参数空间的有限区域内可能被观测到。

ABSTRACT

We consider the nu_mu to nu_e oscillation measurements that would be possible at upgraded 1 GeV and multi-GeV conventional neutrino sources driven by future megawatt-scale proton drivers. If these neutrino superbeams are used together with detectors that are an order of magnitude larger than those presently foreseen, we find that the sensitivity to nu_mu to nu_e oscillations can be improved by an order of magnitude beyond the next generation of accelerator based experiments. In addition, over a limited region of parameter space, the neutrino mass hierarchy can be determined with a multi-GeV long baseline beam. If the Large Mixing Angle MSW solution correctly describes the solar neutrino deficit, there is a small corner of allowed parameter space in which maximal CP-violation in the lepton sector might be observable at a 1 GeV medium baseline experiment. Superbeams with massive detectors would therefore provide a useful tool en route to a neutrino factory, which would permit a further order of magnitude improvement in sensitivity, together with a more comprehensive check of CP-violation and the oscillation framework.

研究动机与目标

• 评估兆瓦级质子加速器产生的中微子超束在通往中微子工厂过程中的物理潜力。
• 评估此类超束与当前设计探测器规模大一个数量级的探测器相结合时，是否能显著提升对 $\nu_\mu\to\nu_e$ 振荡的灵敏度。
• 确定利用这些升级后的超束设施测量中微子质量层级并探测轻子味中CP破坏的可行性。
• 将超束的灵敏度与未来中微子工厂的灵敏度进行比较，特别是在探测小 $\sin^2 2\theta_{13}$ 值方面。

提出的方法

• 该研究对1 GeV和多GeV质子加速器（如升级后的JHF或费米实验室设施）产生的中微子超束进行建模，束流强度最高可达4 MW。
• 假设探测器质量比当前长基线实验大一个数量级，具体为30千吨液氩探测器和10千吨水切伦科夫探测器。
• 对 $\pi^0$ 产生和 $\nu_\tau$ 电荷流相互作用的背景进行建模，以评估信号纯度及不同情景下的 $f_B$（背景分数）。
• 使用 $3\sigma$ 显著性等高线在 $(\delta m^2_{21}, \sin^2 2\theta_{13})$ 平面中评估灵敏度，假设中微子运行3年、反中微子运行6年。
• 将超束对 $\nu_\mu\to\nu_e$ 的探测能力与中微子工厂对 $\nu_e\to\nu_\mu$ 的探测能力进行比较，后者基于每年 $2\times10^{20}$ 次μ子衰变。
• 评估束流能量、基线长度、探测器技术以及 $\delta m^2_{32}$ 符号确定对灵敏度和发现潜力的影响。

实验结果

研究问题

• RQ1 兆瓦级质子加速器产生的中微子超束是否能将对 $\nu_\mu\to\nu_e$ 振荡的灵敏度提升一个数量级，超越下一代实验？
• RQ2 在1 GeV中等基线超束与大型液氩探测器条件下，可使用3σ显著性探测到的最小 $\sin^2 2\theta_{13}$ 值是多少？
• RQ3 在何种条件下，可通过多GeV长基线超束确定中微子质量层级？
• RQ4 若太阳中微子亏损由大混合角MSW解描述，是否可在1 GeV超束实验中观测到轻子味中的CP破坏？
• RQ5 在探测小 $\sin^2 2\theta_{13}$ 值方面，超束的灵敏度与中微子工厂相比如何？

主要发现

• 在1 GeV中等基线超束与30千吨液氩探测器条件下，若背景分数 $f_B \approx 0.004$，可对 $\sin^2 2\theta_{13} \gtrsim 0.003$ 的 $\nu_\mu\to\nu_e$ 信号实现3σ显著性探测。
• 在多GeV长基线超束与30千吨液氩探测器条件下，若基线 $L \gtrsim 3000$ km，可对 $\sin^2 2\theta_{13} \gtrsim 0.01$ 的情况确定 $\delta m^2_{32}$ 的符号（即中微子质量层级）。
• 对 $\nu_\mu\to\nu_e$ 信号的主要背景来自中性流事件中的 $\pi^0$ 产生和 $\nu_\tau$ 电荷流相互作用，尤其在束流能量超过5 GeV时更为显著。
• 只有液氩探测器能将背景分数 $f_B$ 显著降低至0.01以下，因此对高灵敏度测量至关重要。
• 超束对 $\nu_\mu\to\nu_e$ 的灵敏度几乎与次级质量劈裂 $\delta m^2_{21}$ 无关，其在 $\sin^2 2\theta_{13}$ 方向的探测范围可达数个 $\times 10^{-3}$。
• 在与LMA MSW解一致的参数空间有限区域内，轻子味中的CP破坏可能在1 GeV超束实验中被观测到，但多GeV超束实验中难以获得明确信号。