[论文解读] Snowmass Neutrino Frontier: DUNE Physics Summary

DUNE Collaboration, Abud, A. Abed+1244 more|arXiv (Cornell University)|Mar 11, 2022

Neutrino Physics Research被引用 7

一句话总结

DUNE物理摘要提出分阶段实施深地中微子实验（DUNE），以高精度测量中微子振荡，确定中微子质量顺序，并探测CP破坏及标准模型之外的物理。利用1.2 MW至2.4 MW质子束和液氩时间投影室（LArTPCs），DUNE旨在实现长基线中微子物理的世界级灵敏度，并支持广泛的全新物理搜索计划。

ABSTRACT

The Deep Underground Neutrino Experiment (DUNE) is a next-generation long-baseline neutrino oscillation experiment with a primary physics goal of observing neutrino and antineutrino oscillation patterns to precisely measure the parameters governing long-baseline neutrino oscillation in a single experiment, and to test the three-flavor paradigm. DUNE's design has been developed by a large, international collaboration of scientists and engineers to have unique capability to measure neutrino oscillation as a function of energy in a broadband beam, to resolve degeneracy among oscillation parameters, and to control systematic uncertainty using the exquisite imaging capability of massive LArTPC far detector modules and an argon-based near detector. DUNE's neutrino oscillation measurements will unambiguously resolve the neutrino mass ordering and provide the sensitivity to discover CP violation in neutrinos for a wide range of possible values of $δ_{CP}$. DUNE is also uniquely sensitive to electron neutrinos from a galactic supernova burst, and to a broad range of physics beyond the Standard Model (BSM), including nucleon decays. DUNE is anticipated to begin collecting physics data with Phase I, an initial experiment configuration consisting of two far detector modules and a minimal suite of near detector components, with a 1.2 MW proton beam. To realize its extensive, world-leading physics potential requires the full scope of DUNE be completed in Phase II. The three Phase II upgrades are all necessary to achieve DUNE's physics goals: (1) addition of far detector modules three and four for a total FD fiducial mass of at least 40 kt, (2) upgrade of the proton beam power from 1.2 MW to 2.4 MW, and (3) replacement of the near detector's temporary muon spectrometer with a magnetized, high-pressure gaseous argon TPC and calorimeter.

研究动机与目标

• 通过DUNE实验建立一个全面且高精度的长基线中微子振荡物理研究计划。
• 通过高统计量的中微子和反中微子测量，明确确定中微子质量顺序。
• 以接近最大CP破坏相位的灵敏度，探测中微子领域的CP破坏。
• 通过探测质子衰变、核子衰变以及来自天体物理源的低能中微子，将DUNE的物理研究范围拓展至振荡物理之外。
• 倡导全面实现DUNE第二阶段，包括束流功率升级和探测器改进，以在数十年间最大化科学回报。

提出的方法

• 利用长基线中微子设施（LBNF）将1.2 MW至2.4 MW的质子束输运至费米国家加速器实验室，产生中微子束。
• 在远端探测器（40 kt有效质量）和近端探测器（增强能力）部署液氩时间投影室（LArTPCs），精确测量中微子相互作用。
• 实施分阶段方法：第一阶段使用1.2 MW束流和20 kt远端探测器质量，随后进行第二阶段升级至2.4 MW和40 kt质量。
• 采用端到端的物理分析流程和原型验证，确保探测器性能与系统误差的精确控制。
• 利用升级后的费米实验室加速器设施，不仅支持DUNE，还支持其他强度前沿实验，包括μ子物理和稀有衰变研究。
• 探索非LArTPC模块等探测器创新技术，前提是系统误差可控制在所需水平。

实验结果

研究问题

• RQ1 DUNE能否利用高统计量的中微子和反中微子数据明确确定中微子质量顺序？
• RQ2 DUNE对中微子领域CP破坏的灵敏度如何，特别是在CP破坏相位δCP接近最大值时？
• RQ3 DUNE在多大程度上能够探测标准模型之外的物理，包括质子衰变和低能中微子信号？
• RQ4 升级后的费米实验室加速器设施（2.4 MW束流）如何支持超越DUNE的更广泛物理计划？
• RQ5 为实现DUNE第二阶段的全部物理潜力，需要哪些探测器技术和升级措施？

主要发现

• DUNE第一阶段（1.2 MW束流和20 kt远端探测器质量）已足够明确确定中微子质量顺序。
• DUNE第一阶段对CP破坏具有灵敏度，尤其适用于CP破坏相位δCP接近最大值的情况，可对中微子领域的CP对称性进行决定性检验。
• 完整的DUNE第二阶段设计——包括2.4 MW束流、40 kt有效质量及增强的近端探测器——将在数十年间实现中微子振荡的高精度测量。
• LArTPC技术已在全尺寸原型中得到验证，证明其在DUNE探测器中的可行性与性能。
• 将束流功率升级至2.4 MW对DUNE的振荡物理计划至关重要，同时还将支持μ子物理、稀有衰变和固定靶搜索等广泛的新实验。
• DUNE合作组呼吁粒子物理界通过Snowmass进程确认完整DUNE计划，优先在本十年内推进第一阶段，下一十年内实现第二阶段。