[论文解读] The use of a high intensity neutrino beam from the ESS proton linac for measurement of neutrino CP violation and mass hierarchy

E. Baussan, M. Dracos+4 more|arXiv (Cornell University)|Dec 20, 2012

Neutrino Physics Research参考文献 8被引用 19

一句话总结

本文提出利用位于瑞典马尔默的欧洲散裂中子源（ESS）质子直线加速器——该加速器目前正处于建设阶段——在产生中子的同时，平行生成高强度的5 MW中微子束。通过在400 km基线上部署一个百万吨级的水切伦科夫探测器，研究显示：在8年反中微子运行和2年中微子运行后，可在δ相空间的48%范围内以5σ的显著性发现CP破坏；同时，中微子质量层级可在大多数δ范围内以3σ显著性被确定。

ABSTRACT

It is proposed to complement the ESS proton linac with equipment that would enable the production, concurrently with the production of the planned ESS beam used for neutron production, of a 5 MW beam of 10$^{23}$ 2.5 GeV protons per year in microsecond short pulses to produce a neutrino Super Beam, and to install a megaton underground water Cherenkov detector in a mine to detect $ν_e$ appearance in the produced $ν_μ$ beam. Results are presented of preliminary calculations of the sensitivity to neutrino CP violation and the mass hierarchy as a function of the neutrino baseline. The results indicate that, with 8 years of data taking with an antineutrino beam and 2 years with a neutrino beam and a baseline distance of around 400 km, CP violation could be discovered at 5 $σ$ (3 $σ$) confidence level in 48% (73%) of the total CP violation angular range. With the same baseline, the neutrino mass hierarchy could be determined at 3 $σ$ level over most of the total CP violation angular range. There are several underground mines with a depth of more than 1000 m, which could be used for the creation of the underground site for the neutrino detector and which are situated within or near the optimal baseline range.

研究动机与目标

• 探索利用ESS质子直线加速器产生高强度中微子束以精确测量CP破坏与中微子质量层级的可行性。
• 确定最大化中微子领域CP破坏敏感度的最优基线距离。
• 评估在深地下的大型矿井中部署百万吨级水切伦科夫探测器以探测νₑ出现的潜力。
• 评估将ESS设施升级为同时产生中微子与中子的性价比和技术可行性。
• 识别欧洲境内适合建设大型中微子探测器的现有或可重新启用的地下矿井，要求深度超过1000 m且靠近ESS。

提出的方法

• 利用现有的2.5 GeV ESS质子直线加速器（当前用于中子生产，功率为5 MW），通过加速H⁻离子产生5 MW质子束以用于中微子生产。
• 在质子束脉冲之间的70 ms间隙内，将H⁻离子脉冲注入直线加速器，在储存环中剥离电子，并将束流压缩为微秒级脉冲，注入中微子靶。
• 使用中微子喇叭将靶中产生的π介子聚焦成前向束流，其在20 m长的衰变隧道中衰变为μ子中微子。
• 使用蒙特卡洛方法模拟νₘu → νₑ振荡概率，考虑束流能量、基线距离和探测器响应。
• 设计一个位于地下至少1000 m（3000 m w.e.）的百万吨级水切伦科夫探测器，以抑制宇宙射线背景。
• 使用统计显著性（5σ与3σ）在CP破坏相位δ的全范围内评估对CP破坏与质量层级的敏感度。

实验结果

研究问题

• RQ1 ESS中微子源与远端探测器之间的最优基线距离是多少，可使中微子领域CP破坏的敏感度最大化？
• RQ2 ESS质子直线加速器是否可升级为在执行其主要中子生产任务的同时，产生5 MW的中微子束？
• RQ3 在400 km基线、8年反中微子运行与2年中微子运行条件下，可使用5σ显著性探测δ相空间的多大比例？
• RQ4 在该设置下，中微子质量层级可在δ全范围内以3σ置信水平被确定到何种程度？
• RQ5 欧洲境内哪些现有或可重新启用的地下矿井具备足够的深度（>1000 m）和与ESS的接近度，适合部署百万吨级中微子探测器？

主要发现

• 在400 km基线条件下，通过8年反中微子运行与2年中微子运行，可在δ相空间的48%范围内以5σ显著性发现CP破坏，且在73%的范围内可达到3σ显著性。
• 在相同的400 km基线与数据采集策略下，中微子质量层级可在大多数δ相空间内以3σ显著性被确定，无需额外优化。
• CP破坏敏感度的最优基线范围为200 km至550 km，其中奥斯基尔沙姆纳、辛克鲁瓦南与加尔彭贝格矿井被确定为首选候选地点。
• 所提出的ESS直线加速器升级方案——增加H⁻源、5 MW射频功率、储存环与中微子靶——可在增加成本不大的前提下，实现中微子与中子束的并行生产。
• 瑞典与芬兰的多个深部矿井（如：辛克鲁瓦南矿，深度1100 m，距ESS 365 km；皮希萨尔米矿，深度1440 m，距ESS 1140 km）因具备足够的深度与接近性，具备作为探测器场地的可行性。
• 探测器体积约650,000 m³，若已有运输竖井等基础设施，其开挖与衬砌成本约为100百万欧元。