[论文解读] Proposal for an Extended Run of T2K to $20 imes10^{21}$ POT

K. Abe, H. Aihara+315 more|arXiv (Cornell University)|Sep 14, 2016

Neutrino Physics Research参考文献 1被引用 23

一句话总结

T2K合作组提议将其中微子运行从7.8×10²¹ POT延长至20×10²¹ POT，以在广泛的δCP值范围内实现CP破坏的3σ敏感度，提高振荡参数的测量精度，并探测惰性中微子、洛伦兹破坏以及重中性轻子等新物理。这需要将J-PARC主环加速器升级至1.3 MW束流功率，并对束流线进行改造，使电磁喇叭工作在320 kA电流下，从而将统计量提高最多50%，并将系统不确定度降低至当前水平的三分之二。

ABSTRACT

Recent measurements by the T2K neutrino oscillation experiment indicate that CP violation in neutrino mixing may be observed in the future by long-baseline neutrino oscillation experiments. We propose an extension to the currently approved T2K running from $7.8 imes 10^{21}~\mbox{POT}$ to $20 imes 10^{21}~\mbox{POT}$, aiming at initial observation of CP violation with 3$\,σ$ or higher significance for the case of maximum CP violation. The program also contains a measurement of mixing parameters, $θ_{23}$ and $Δm^2_{32}$, with a precision of 1.7$^\circ$ or better and 1%, respectively. With accelerator and beamline upgrades, as well as analysis improvements, this program would occur before the next generation of long-baseline neutrino oscillation experiments that are expected to start operation in 2026.

研究动机与目标

• 在广泛的δCP值范围内（包括最大CP破坏的情况）实现对CP破坏的3σ敏感度。
• 将振荡参数Δm²₃₂的测量精度提高至1%量级，从而可与反应堆实验进行有力比较。
• 通过高统计量的中微子和反中微子消失与出现测量，搜索新物理，包括惰性中微子、洛伦兹破坏以及重中性轻子。
• 通过将T2K-II结果与NOvA和反应堆数据进行比较，增强对非标准中微子-物质相互作用的探测灵敏度。
• 在Δm² ~ 10⁻³ eV²区域，使超级神冈探测器中性当前π⁰事件数超过500个，且纯度达97%，以实现对惰性中微子的敏感探测。

提出的方法

• 将J-PARC主环加速器升级至1.3 MW束流功率，实现每年五至六个月的数据获取。
• 改造中微子束流线，以支持1.3 MW束流，并将电磁喇叭工作电流提升至320 kA，以提高中微子通量和束流聚焦性能。
• 利用现有的T2K近场探测器（INGRID、ND280）和远场探测器（超级神冈探测器），测量νμ和ν̄μ的消失、νe的出现以及中性当前π⁰事件。
• 利用增加的统计量进行高精度振荡分析，以约束δCP、Δm²₃₂和θ₂₃。
• 在近场和远场探测器中开展基于恒星时标的事件率分析，以探测洛伦兹破坏。
• 通过探测在T2K靶处产生并在近场探测器内衰变的重中性轻子（质量范围10⁻¹–10² GeV），开展相关研究。

实验结果

研究问题

• RQ1 T2K能否在δCP值的全范围内（包括最大CP破坏情况）实现对CP破坏的3σ敏感度？
• RQ2 在20×10²¹ POT条件下，Δm²₃₂的预期测量精度是多少？与反应堆测量结果相比如何？
• RQ3 T2K与反应堆实验在Δm²₃₂测量结果之间的偏差是否可能暗示非标准中微子-物质相互作用等新物理现象？
• RQ4 利用超级神冈探测器中的π⁰样本，在Δm² ~ 10⁻³ eV²区域对惰性中微子振荡的探测灵敏度如何？
• RQ5 近场和远场探测器中事件率的恒星时依赖性是否能揭示中微子传播中的洛伦兹破坏？

主要发现

• 在20×10²¹ POT条件下，T2K预计可在广泛的δCP值范围内实现对CP破坏的3σ敏感度，包括最大CP破坏的情况。
• Δm²₃₂的测量精度预计可达到1%，显著优于当前的4%水平，从而可与反应堆实验实现有力竞争。
• 超级神冈探测器中性当前π⁰产生事件数预计将超过500个，且纯度达97%，从而可在Δm² ~ 10⁻³ eV²区域实现对惰性中微子的高灵敏度探测。
• 近场探测器中νe消失的探测灵敏度已进入由反应堆反中微子亏损所暗示的惰性振荡参数空间，且随着统计量的增加，灵敏度将进一步提升。
• 由于基线更长，超级神冈探测器的恒星时依赖性分析可将对洛伦兹破坏的探测灵敏度提升三个数量级。
• 若在靶处产生并在探测器体积内衰变，T2K近场探测器预计可探测到质量范围在10⁻¹–10² GeV之间的重中性轻子。