[论文解读] The LBNO long-baseline oscillation sensitivities with two conventional neutrino beams at different baselines

LBNO Collaboration, Sanjib Kumar Agarwalla+158 more|arXiv (Cornell University)|Dec 2, 2014

Neutrino Physics Research参考文献 23被引用 8

一句话总结

本文提出通过在长基线中微子观测站（LBNO）实验中增加来自普罗特维诺IHEP加速器（1160 km基线）的第二条常规中微子束，以补充现有的CERN束（2300 km基线），从而提升实验性能。通过在不同基线上使用两条中微子束，双束配置在单束增强暴露量的基础上，进一步提高了对轻子味中微子CP破坏的敏感度，10年运行后，20 k吨探测器可实现对50%真实δCP值的3σ敏感度，70 k吨探测器则可达到75%。

ABSTRACT

The proposed Long Baseline Neutrino Observatory (LBNO) initially consists of $\sim 20$ kton liquid double phase TPC complemented by a magnetised iron calorimeter, to be installed at the Pyhäsalmi mine, at a distance of 2300 km from CERN. The conventional neutrino beam is produced by 400 GeV protons accelerated at the SPS accelerator delivering 700 kW of power. The long baseline provides a unique opportunity to study neutrino flavour oscillations over their 1st and 2nd oscillation maxima exploring the $L/E$ behaviour, and distinguishing effects arising from $δ_{CP}$ and matter. In this paper we show how this comprehensive physics case can be further enhanced and complemented if a neutrino beam produced at the Protvino IHEP accelerator complex, at a distance of 1160 km, and with modest power of 450 kW is aimed towards the same far detectors. We show that the coupling of two independent sub-MW conventional neutrino and antineutrino beams at different baselines from CERN and Protvino will allow to measure CP violation in the leptonic sector at a confidence level of at least $3σ$ for 50\% of the true values of $δ_{CP}$ with a 20 kton detector. With a far detector of 70 kton, the combination allows a $3σ$ sensitivity for 75\% of the true values of $δ_{CP}$ after 10 years of running. Running two independent neutrino beams, each at a power below 1 MW, is more within today's state of the art than the long-term operation of a new single high-energy multi-MW facility, which has several technical challenges and will likely require a learning curve.

研究动机与目标

• 提升LBNO实验对轻子味中微子CP破坏的敏感度，超越单条中微子束所能达到的水平。
• 评估结合来自不同加速器（CERN和普罗特维诺）的两条常规中微子束，是否能够解决参数简并性问题，并提高振荡测量的精度。
• 评估运行两条低功率（低于1 MW）束流与单个高功率多兆瓦设施相比的可行性与优势。
• 确定实现对整个参数空间内δCP的3σ敏感度所需的探测器尺寸与暴露量。

提出的方法

• 该研究采用CERN SPS加速器（400 GeV，700 kW，2300 km基线）和普罗特维诺IHEP设施（70 GeV，450 kW，1160 km基线）的双束配置进行建模。
• 将双束配置的CP破坏敏感度与总脉冲数（POT）相当的单束情景进行比较，使用Pyhäsalmi矿区的20 k吨液氩探测器。
• 通过缩放因子将P2P束（40×10^20 POT）的统计能力等效为C2P束曝光量的增加，得出等效曝光量为7×10^20 POT。
• 为消除统计优势，比较中采用C2P束15×10^20 POT和单束情景22×10^20 POT的曝光量。
• 该方法考虑了系统不确定性、振荡参数先验信息以及探测器响应，以评估真实条件下的敏感度表现。
• 在10年运行周期内，对20 k吨和70 k吨探测器配置下的双束配置进行了评估。

实验结果

研究问题

• RQ1 在总曝光量相当的前提下，使用两条不同基线的常规中微子束的双束中微子配置，是否能超越单束配置对CP破坏的敏感度？
• RQ2 在不同L/E比下组合两条束流，在多大程度上能解决中微子混合参数（特别是δCP和质量层级）的简并性问题？
• RQ3 使用两条低功率束流，需要多大的探测器尺寸和多大的束流曝光量，才能实现对轻子味中微子CP破坏的3σ敏感度？
• RQ4 与通过增加曝光量实现的单束设施相比，双束配置在统计和系统不确定性方面的敏感度表现如何？
• RQ5 运行两条独立的低于1 MW的束流，是否比运行单个多兆瓦束流在技术上更具可行性，且是否能提供更优越的物理探测能力？

主要发现

• 在10年运行后，使用20 k吨探测器的双束配置可对50%的真实δCP值实现3σ敏感度。
• 使用70 k吨探测器时，双束配置可对75%的真实δCP值实现3σ敏感度，显著优于单束配置的表现。
• 双束配置的敏感度增益超过仅靠增加曝光量所能带来的统计改善，原因在于不同L/E比可有效解决参数简并性问题。
• 双束配置仅在C2P束曝光量提升至约30×10^20 POT时，才能达到与单束配置等效的敏感度，证实了双基线信息的附加价值。
• 研究确认，两条低于1 MW的束流在运行上比单个高功率多兆瓦束流更具可行性，并且在CP破坏和质量层级确定方面可提供更优越的物理探测能力。
• 在考虑束流、探测器和系统不确定性的现实假设下，上述结果依然成立，支持双束方法在未来的长基线实验中的可行性。