[论文解读] The JHF-Kamioka neutrino project

Y. Itow, T. Kajita+23 more|ArXiv.org|Jun 5, 2001

Neutrino Physics Research参考文献 1被引用 104

一句话总结

JHF-Kamioka 中微子项目提出了一项第二代长基线中微子振荡实验，利用 JHF 质子同步加速器产生的高强度中微子束以及距离 295 公里外的超级神冈探测器。该项目旨在精确测量中微子混合参数，将 $\nu_e$ 出现的灵敏度提高 20 倍，并探索 CP 破坏与质子衰变；第二阶段将 beam 功率升级至 4 MW，并使用 1,000 吨的超大神冈探测器以进一步提升灵敏度。

ABSTRACT

The JHF-Kamioka neutrino project is a second generation long base line neutrino oscillation experiment that probes physics beyond the Standard Model by high precision measurements of the neutrino masses and mixing. A high intensity narrow band neutrino beam is produced by secondary pions created by a high intensity proton synchrotron at JHF (JAERI). The neutrino energy is tuned to the oscillation maximum at ~1 GeV for a baseline length of 295 km towards the world largest water Cerenkov detector, Super-Kamiokande. Its excellent energy resolution and particle identification enable the reconstruction of the initial neutrino energy, which is compared with the narrow band neutrino energy, through the quasi-elastic interaction. The physics goal of the first phase is an order of magnitude better precision in the nu_mu to nu_tau oscillation measurement (delta(Delta m_23^2)=10^-4 eV^2 and delta(sin^22theta_23)=0.01), a factor of 20 more sensitive search in the nu_mu to nu_e appearance (sin^22theta_{mu e} ~ 0.5sin^22theta_{13}>0.003), and a confirmation of the nu_mu to nu_tau oscillation or discovery of sterile neutrinos by detecting the neutral current events. In the second phase, an upgrade of the accelerator from 0.75 MW to 4 MW in beam power and the construction of 1 Mt Hyper-Kamiokande detector at Kamioka site are envisaged. Another order of magnitude improvement in the nu_mu to nu_e oscillation sensitivity, a sensitive search of the CP violation in the lepton sector (CP phase "delta" down to 10-20 degrees), and an order of magnitude improvement in the proton decay sensitivity is also expected.

研究动机与目标

• 通过高精度测量中微子质量与混合角，探索标准模型之外的物理学。
• 通过测量中微子振荡中的 CP 相位 $\delta$，在轻子扇区中寻找 CP 破坏。
• 通过中性流事例探测，确认 $\nu_\mu \to \nu_\tau$ 振荡。
• 利用大体积水契伦科夫探测器，搜索惰性中微子并提升质子衰变灵敏度。
• 在第二阶段，通过超大神冈探测器，实现 $\nu_e$ 出现与质子衰变灵敏度一个数量级的提升。

提出的方法

• 在 JHF 处利用 0.75 MW 质子同步加速器产生的次级 π 介子，生成高强度窄带中微子束，可升级至 4 MW。
• 将中微子能量调节至约 1 GeV，以在 295 公里基线上最大化振荡概率，面向超级神冈探测器。
• 通过弹性散射反应重建中微子能量，利用超级神冈探测器优异的能量分辨率与粒子识别能力。
• 实验采用两阶段方法：第一阶段使用超级神冈探测器，第二阶段使用 1,000 吨的超大神冈探测器。
• 通过严格的事例选择与中微子通量及探测器响应的模拟，实现 $\nu_e$ 出现的背景抑制。
• 通过选择水中自由质子，利用动量守恒与不变质量切片，将背景降低 15 倍，从而增强质子衰变灵敏度。

实验结果

研究问题

• RQ1 JHF-Kamioka 实验能否在 $\nu_\mu$ 消失振荡测量中实现 $\delta(\sin^2 2\theta_{23}) \sim 0.01$ 与 $\delta(\Delta m^2_{23}) \lesssim 10^{-4}$ eV$^2$ 的精度？
• RQ2 实验能否探测到 $\nu_e$ 出现，灵敏度达 $\sin^2 2\theta_{\mu e} \sim 3 \times 10^{-3}$，对应 $\sin^2 2\theta_{13} \gtrsim 0.003$？
• RQ3 实验能否通过中性流事例探测确认 $\nu_\mu \to \nu_\tau$ 振荡？
• RQ4 若在大混合角解中 $|\delta| \gtrsim 10^\circ - 20^\circ$，实验能否观测到轻子扇区中的 CP 破坏？
• RQ5 在 20 Mt·year 暴露量下，质子衰变灵敏度能否达到 $10^{35}$ 年（$p \to e^+ \pi^0$）与 $3 \times 10^{34}$ 年（$p \to \bar{\nu} K^+$）？

主要发现

• 第一阶段在 $\nu_\mu$ 消失振荡测量中实现了 $\delta(\sin^2 2\theta_{23}) \sim 0.01$ 与 $\delta(\Delta m^2_{23}) \lesssim 10^{-4}$ eV$^2$ 的精度。
• 实验将 $\nu_e$ 出现的灵敏度提高了 20 倍，达到 $\sin^2 2\theta_{\mu e} \sim 3 \times 10^{-3}$。
• 中性流事例的探测使 $\nu_\mu \to \nu_\tau$ 振荡的确认与惰性中微子的搜索成为可能。
• 在 20 Mt·year 暴露量下，质子衰变灵敏度达到 $10^{35}$ 年（$p \to e^+ \pi^0$）与 $3 \times 10^{34}$ 年（$p \to \bar{\nu} K^+$）。
• 第二阶段，采用 4 MW 束流与 1,000 吨超大神冈探测器，若 $|\delta| \gtrsim 10^\circ - 20^\circ$，可实现 CP 破坏的发现。
• 通过 $p \to e^+ \pi^0$ 衰变的质子衰变信号探测效率为 17.4%，并利用动量守恒切片将背景降低 15 倍。