[论文解读] PINGU Sensitivity to the Neutrino Mass Hierarchy

IceCube|arXiv (Cornell University)|Jun 25, 2013

Astrophysics and Cosmic Phenomena参考文献 4被引用 14

一句话总结

PINGU 是南极冰立方 DeepCore 探测器的升级版本，旨在利用大气中微子明确定义中微子质量顺序。根据探测器几何结构和分析效率的不同，预计每年灵敏度为 2.1–3.4 西格玛，若 2016/17 年开始部署，2020 年前有望实现 3 西格玛测量。

ABSTRACT

The neutrino mass hierarchy is one of the few remaining unknown parameters in the neutrino sector and hence a primary focus of the experimental community. The Precision IceCube Next Generation Upgrade (PINGU) experiment, to be co-located with the IceCube DeepCore detector in the deep Antarctic glacier, is being designed to provide a first definitive measurement of the mass hierarchy. We have conducted feasibility studies for the detector design that demonstrate a statistically-limited sensitivity to the hierarchy of 2.1 sigma to 3.4 sigma per year is possible, depending on the detector geometry (20 to 40 strings) and analysis efficiencies. First studies of the effects of systematic and theoretical uncertainties show limited impact on the overall sensitivity to the hierarchy. Assuming deployment of the first array elements in the 2016/17 austral summer season a 3 sigma measurement of the hierarchy is anticipated with PINGU in 2020.

研究动机与目标

• 确定中微子质量顺序，这是中微子物理学中的一个关键未知问题。
• 评估使用 PINGU 探测器实现对质量顺序的确定性测量的可行性。
• 评估系统性和理论不确定性对灵敏度的影响。
• 估算实现 3 西格玛质量顺序测量的时间表。

提出的方法

• 对包含 20 至 40 根线的 PINGU 探测器设计方案进行了可行性研究，以评估其对中微子质量顺序的灵敏度。
• 基于统计限制评估灵敏度，假设分析效率理想。
• 对系统性和理论不确定性进行建模，以评估其对质量顺序灵敏度的影响。
• 灵敏度预测基于深南极冰层中的大气中微子相互作用。
• 假设在 2016/17 年度南半球夏季开始部署首批阵列元件，估算时间表。
• 按年计算灵敏度，以预测达到 3 西格玛显著性的所需时间。

实验结果

研究问题

• RQ1 PINGU 在一年运行时间内对中微子质量顺序的灵敏度能达到何种水平？
• RQ2 探测器几何结构（线数）如何影响对质量顺序的灵敏度？
• RQ3 系统性和理论不确定性在多大程度上会降低对质量顺序的灵敏度？
• RQ4 在 PINGU 上何时可预期实现对中微子质量顺序的 3 西格玛测量？

主要发现

• PINGU 对中微子质量顺序的灵敏度为每年 2.1 至 3.4 西格玛，具体取决于探测器几何结构和分析效率。
• 系统性和理论不确定性对质量顺序整体灵敏度的影响有限。
• 若首批阵列元件于 2016/17 年度南半球夏季部署，预计 2020 年前可实现对中微子质量顺序的 3 西格玛测量。
• 预测的灵敏度受统计限制，表明统计精度是质量顺序测量中的主导因素。
• 灵敏度范围（2.1–3.4 西格玛/年）反映了探测器配置和分析性能差异带来的变化。
• 在早期部署和稳定运行的前提下，实现 3 西格玛结果的时间表在部署后四年内是可行的。