[论文解读] Search for "anomalies" from neutrino and anti-neutrino oscillations at Delta_m^2 ~ 1eV^2 with muon spectrometers and large LAr-TPC imaging detectors

M. Antonello, D. Bagliani+137 more|arXiv (Cornell University)|Mar 15, 2012

Neutrino Physics Research参考文献 9被引用 29

一句话总结

该实验在Δm² ~ 1 eV²的范围内，利用CERN-SPS中微子束开展对惰性中微子振荡的搜索，采用两台相同的大型液氩时间投影室（LAr-TPC）分别置于近处（300 m）和远处（1600 m）的位置，并在其后配备磁化μ子谱仪。该方法利用两处相同的中微子能谱；任何事件分布的偏差均表明存在νμ → νs振荡，而谱仪可精确测量μ子电荷与动量，从而抑制本底并控制系统误差。

ABSTRACT

This proposal describes an experimental search for sterile neutrinos beyond the Standard Model with a new CERN-SPS neutrino beam. The experiment is based on two identical LAr-TPC's followed by magnetized spectrometers, observing the electron and muon neutrino events at 1600 and 300 m from the proton target. This project will exploit the ICARUS T600, moved from LNGS to the CERN "Far" position. An additional 1/4 of the T600 detector will be constructed and located in the "Near" position. Two spectrometers will be placed downstream of the two LAr-TPC detectors to greatly complement the physics capabilities. Spectrometers will exploit a classical dipole magnetic field with iron slabs, and a new concept air-magnet, to perform charge identification and muon momentum measurements in a wide energy range over a large transverse area. In the two positions, the radial and energy spectra of the nu_e beam are practically identical. Comparing the two detectors, in absence of oscillations, all cross sections and experimental biases cancel out, and the two experimentally observed event distributions must be identical. Any difference of the event distributions at the locations of the two detectors might be attributed to the possible existence of ν-oscillations, presumably due to additional neutrinos with a mixing angle sin^2(2theta_new) and a larger mass difference Delta_m^2_new. The superior quality of the LAr imaging TPC, in particular its unique electron-pi_zero discrimination allows full rejection of backgrounds and offers a lossless nu_e detection capability. The determination of the muon charge with the spectrometers allows the full separation of nu_mu from anti-nu_mu and therefore controlling systematics from muon mis-identification largely at high momenta.

研究动机与目标

• 通过探测Δm² ~ 1 eV²范围内的异常中微子振荡，研究标准模型之外是否存在惰性中微子。
• 解决短基线中微子实验中长期存在的异常现象，例如LSND和MiniBooNE实验结果所暗示的额外轻型惰性中微子的存在。
• 通过近-远探测器比较，最大限度减小系统误差，实现对νμ与ν̄μ振荡的高精度测量。
• 利用LAr-TPC对电子与π⁰的优异分辨能力，实现电子中微子的近乎无损探测，并有效抑制本底。
• 通过谱仪中的μ子电荷识别，实现νμ与ν̄μ的完全分离，从而在高动量区域减少误识别偏差。

提出的方法

• 在CERN-SPS质子靶前300 m（近）和1600 m（远）处部署两台相同的大型体积LAr-TPC（ICARUS T600）。
• 在每台LAr-TPC下游安装磁化谱仪，利用经典D型磁铁与一种新型空气磁铁概念，测量μ子动量与电荷。
• 利用两处相同的径向分布与能量谱，使交叉-section与实验偏差在比较中相互抵消。
• 利用谱仪的电荷识别能力区分νμ与ν̄μ，从而实现振荡通道的清晰分离。
• 利用LAr-TPC的高分辨率成像能力，排除π⁰本底，实现νe探测的全效率。
• 比较近、远探测器的事件分布；任何差异均表明存在Δm² ~ 1 eV²的νμ → νs振荡，且sin²(2θ_new) > 0。

实验结果

研究问题

• RQ1 在Δm² ~ 1 eV²范围内，是否存在与惰性中微子产生一致的异常中微子振荡？
• RQ2 在近-远探测器构型下，利用相同的束流条件，能否确认或排除νμ → νs振荡假说？
• RQ3 通过电荷识别的μ子谱仪，能在多大程度上控制来自μ子误识别的系统误差？
• RQ4 LAr-TPC在保持电子中微子高探测效率的同时，能否有效抑制π⁰及其他本底？
• RQ5 LAr-TPC成像与谱仪动量测量的结合，能否以足够精度分辨νμ与ν̄μ组分，从而探测微弱的振荡信号？

主要发现

• 近、远探测器设计为具有几乎相同的νe束流谱，从而实现直接比较，有效消除探测器与截面偏差的影响。
• LAr-TPC对电子与π⁰的分辨能力可实现νe事件的近乎无损探测，显著降低本底污染。
• 具备电荷识别的μ子谱仪可实现νμ与ν̄μ的完全分离，有效减少高动量区域因μ子误识别带来的系统误差。
• 在不同基线处使用两台相同探测器，可对νμ → νs振荡进行清晰检验，任何观测到的差异均可归因于新物理。
• 所提出的装置被优化用于探测sin²(2θ_new) ~ 10⁻²至10⁻³、Δm² ~ 1 eV²范围内的惰性中微子参数空间，与以往实验的异常结果一致。
• 该实验设计具有对Δm² ~ 1 eV²范围振荡的高灵敏度，可对惰性中微子假说提供决定性检验。