[论文解读] The LAGUNA design study- towards giant liquid based underground detectors for neutrino physics and astrophysics and proton decay searches

LAGUNA Collaboration, Doug Angus+122 more|arXiv (Cornell University)|Dec 31, 2009

Neutrino Physics Research参考文献 4被引用 9

一句话总结

LAGUNA 设计研究提出在欧洲建设一个下一代巨型液态地下中微子观测站，目标探测器有效质量为10万至100万吨，用于研究中微子振荡、质子衰变及天体中微子。该研究评估了欧洲七个候选地点在技术可行性、成本和安全方面的表现，旨在2010年夏季前完成优先选址和概念设计，以支持未来基于CERN束流的长基线中微子物理研究。

ABSTRACT

The feasibility of a next generation neutrino observatory in Europe is being considered within the LAGUNA design study. To accommodate giant neutrino detectors and shield them from cosmic rays, a new very large underground infrastructure is required. Seven potential candidate sites in different parts of Europe and at several distances from CERN are being studied: Boulby (UK), Canfranc (Spain), Fréjus (France/Italy), Pyhäsalmi (Finland), Polkowice-Sieroszowice (Poland), Slanic (Romania) and Umbria (Italy). The design study aims at the comprehensive and coordinated technical assessment of each site, at a coherent cost estimation, and at a prioritization of the sites within the summer 2010.

研究动机与目标

• 评估在欧洲建设下一代大规模液态中微子探测器的技术可行性，使其具备探测质子衰变并以前所未有的灵敏度测量中微子性质的能力。
• 评估七个候选地下地点——英国博尔比、西班牙坎弗朗斯、法国/意大利弗雷朱斯、芬兰皮哈尔萨米、波兰波尔科维采-谢罗绍沃采、罗马尼亚斯拉尼克和意大利翁布里亚——在不同欧洲国家的适宜性，以承载该探测器。
• 对每个地点进行协调一致、全面的技术评估，包括岩石力学、开挖工程、覆盖层厚度、探测器罐体设计、出入通道及安全措施，以确保基础设施规划的稳健性。
• 在2010年夏季前完成成本估算并提交优先选址清单，以支持未来欧洲中微子物理战略。
• 通过将探测器与升级后的CERN中微子束流耦合，为未来长基线中微子实验奠定基础，从而在轻子味区实现CP破坏的系统研究。

提出的方法

• 在欧洲七个地点开展针对特定地点的可行性研究，分析地质、结构和岩土条件，以确定深地底洞室的适宜性。
• 对每个地点进行详细的岩石力学与开挖规划，包括洞室设计、支护系统及稳定性评估。
• 根据各地点的具体限制条件，评估探测器罐体设计与施工方法，包括材料运输与现场组装方案。
• 评估出入通道、运输物流及安全规程，以应对大量液态闪烁体或水的处理，包括公路隧道与矿井通道的考量。
• 对每个地点开展健康、安全与环境影响评估（HSE），包括废石处置与长期场地可持续性。
• 整合来自21个参与方的物理学家、工程师、采矿专家及工业合作伙伴的意见，确保跨学科协调与技术稳健性。

实验结果

研究问题

• RQ1 在七个欧洲候选地点中，哪一个地点在地质稳定性、足够的覆盖层厚度以及具有成本效益的施工方面实现了最佳平衡，适合建设10万至100万吨的中微子探测器？
• RQ2 在挖掘和维护大型地下洞室系统以容纳巨型液态探测器时，面临的主要技术与工程挑战是什么？
• RQ3 如何在出入受限的深地环境中安全地运输、安装和运行探测器？
• RQ4 在每个候选地点建造大型中微子观测站的相对成本与环境影响是什么？
• RQ5 如何使未来探测器最优地与CERN的长基线中微子束流耦合，以最大化对中微子振荡中CP破坏的探测灵敏度？

主要发现

• 七个候选地点——英国博尔比、西班牙坎弗朗斯、法国/意大利弗雷朱斯、芬兰皮哈尔萨米、波兰波尔科维采-谢罗绍沃采、罗马尼亚斯拉尼克和意大利翁布里亚——被确认为具备技术可行性，可作为下一代中微子观测站的承载地点。
• 截至2009/2010年冬季，各地点的中期选址报告正在准备中，展示了先进的概念设计方案及可靠的开挖成本估算。
• 2009年夏季完成了健康、安全与环境影响报告，提供了对运营与环境风险的基准评估。
• 研究证实，探测器质量在10万至100万吨范围是可行的，且可实现对质子寿命达10^35年的探测灵敏度，从而检验大统一理论的能量尺度。
• 该项目在欧洲21个参与方之间建立了协作框架，整合了土木工程、岩石力学与探测器技术领域的学术与工业专业知识。
• LAGUNA 联盟得出结论：未来欧洲的长基线中微子实验应与升级后的CERN中微子束流耦合，最终选址预计于2010年夏季确定。