[论文解读] The European Spallation Source neutrino Super Beam

M. Dracos, Baussan, E.+60 more|arXiv (Cornell University)|Mar 15, 2022

Particle accelerators and beam dynamics被引用 6

一句话总结

该论文提出了欧洲散裂中子源中微子超束（ESSνSB），一种利用升级至10 MW的ESS 5 MW质子直线加速器（LINAC）产生高强度中微子超束的高亮度中微子实验，旨在测量第二振荡极大值处的CP破坏。在10年运行及360–540 km处500 kt水切伦科夫远探测器的条件下，ESSνSB在5σ显著性水平下对超过70%的CP破坏参数δCP值实现了>70%的发现覆盖率，并在所有δCP值范围内将δCP测量误差控制在8°以内。

ABSTRACT

In this Snowmass 2021 white paper, we summarise the Conceptual Design of the European Spallation Source neutrino Super Beam (ESSvSB) experiment and its synergies with the possible future muon based facilities, e.g. a Low Energy nuSTORM and the Muon Collider. The ESSvSB will benefit from the high power, 5 MW, of the European Spallation Source (ESS) LINAC in Lund-Sweden to produce the world most intense neutrino beam, enabling measurements to be made at the second oscillation maximum. Assuming a ten-year exposure, physics simulations show that the CP-invariance violation can be established with a significance of 5 sigma over more than 70% of all values of delta CP and with an error in the measurement of the delta CP angle of less than 8 degree for all values of delta CP. However, several technological and physics challenges must be further studied before achieving a final Technical Design. Measuring at the 2nd oscillation maximum necessitates a very intense neutrino beam with the appropriate energy. For this, the ESS proton beam LINAC, which is designed to produce the world's most intense neutron beam, will need to be upgraded to 10 MW power, 2.5 GeV energy and 28 Hz beam pulse repetition rate. An accumulator ring will be required for the compression of the ESS LINAC beam pulse from 2.86 ms to 1.3 mus. A high power target station facility will be needed to produce a well-focused intense (super) mu-neutrino beam. The physics performance of that neutrino Super Beam in conjunction with a megaton underground Water Cherenkov neutrino far detector installed at a distance of either 360 km or 540 km from the ESS, the baseline, has been evaluated.

研究动机与目标

• 通过长基线中微子实验实现对轻子CP破坏相位δCP的高精度测量。
• 通过瞄准第二振荡极大值，克服当前长基线实验中系统不确定性的限制。
• 利用升级至10 MW的ESS高功率质子LINAC，产生高强度中微子束以提升探测灵敏度。
• 通过共享基础设施和束流利用，与未来基于μ子的设施（如低能nuSTORM和μ子对撞机）建立协同效应。
• 展示在360–540 km基线距离处建设百万吨级水切伦科夫探测器的可行性，以支持下一代中微子振荡物理研究。

提出的方法

• 利用升级自5 MW至10 MW、能量2.5 GeV、重复频率28 Hz的ESS质子LINAC，产生高强度中微子束。
• 采用累积环将LINAC脉冲从2.86 ms压缩至1.3 µs，以实现高峰值强度。
• 使用高功率靶站产生聚焦良好、强度高的（超）μ中微子束。
• 在360 km或540 km基线处安装百万吨级地下水切伦科夫远探测器，以在第二极大值处观测中微子振荡。
• 通过束流分配站和压缩/束团化环管理束流提取与相位旋转，实现最优束流压缩。
• 将中微子束流线与未来μ子生成设施集成，以支持低能nuSTORM和μ子对撞机等下游实验。

实验结果

研究问题

• RQ1 ESS LINAC产生的中微子超束是否能在超过70%的δCP值范围内实现5σ显著性水平的CP破坏发现？
• RQ2 利用第二振荡极大值测量δCP的精度可达多少？该精度是否可在所有δCP值范围内保持稳定？
• RQ3 如何将ESS质子驱动器升级至10 MW，以支持具备足够强度的超束，实现第二极大值测量？
• RQ4 实现亚微秒脉冲所需的束流压缩技术（包括累积环和压缩环）的技术要求是什么？
• RQ5 ESSνSB与未来基于μ子的设施（如低能nuSTORM和μ子对撞机）之间存在哪些协同效应？

主要发现

• 经过10年数据采集，ESSνSB在超过70%的全部δCP值范围内实现了5σ的CP破坏发现显著性。
• 对δCP的测量误差在所有δCP值下均小于8°，确保在整个相空间内实现高精度确定。
• 第二振荡极大值显著降低了系统不确定性的影响力，相比第一极大值实验更具鲁棒性。
• 当ESS LINAC升级至10 MW时，其提供的足够束流功率可补偿第二极大值处较长基线和较低事例数的影响。
• 该项目可通过共产μ子实现未来升级，支持在相同地点建设低能nuSTORM和μ子对撞机。
• 提议的时间表包括2022年前完成概念设计研究，2030年开始建设，预计2030年起投入运行，利用每年ESS停机期进行升级。