[论文解读] Updated physics performance of the ESSnuSB experiment

A. Alekou, E. Baussan+49 more|arXiv (Cornell University)|Jun 25, 2021

Neutrino Physics Research参考文献 33被引用 1

一句话总结

该论文评估了欧洲散裂中子源中微子束实验（ESSnuSB）的物理性能，该实验是一项拟议的长基线中微子振荡实验，利用欧洲散裂中子源的超束流。基于更新的中微子通量和迁移矩阵，研究显示在δCP = ±90°时，360 km基线的CP破坏发现灵敏度可达13σ，540 km基线为10σ，且>5σ的覆盖率达70%。该实验还能实现对δCP、质量层级和大气混合参数的高精度测量。

ABSTRACT

In this paper, we present the physics performance of the ESSnuSB experiment in the standard three flavor scenario using the updated neutrino flux calculated specifically for the ESSnuSB configuration and updated migration matrices for the far detector. Taking conservative systematic uncertainties corresponding to a normalization error of $5\%$ for signal and $10\%$ for background, we find that there is $10\sigma$ $(13\sigma)$ CP violation discovery sensitivity for the baseline option of 540 km (360 km) at $\delta_{ m CP} = \pm 90^\circ$. The corresponding fraction of $\delta_{ m CP}$ for which CP violation can be discovered at more than $5 \sigma$ is $70\%$. Regarding CP precision measurements, the $1\sigma$ error associated with $\delta_{ m CP} = 0^\circ$ is around $5^\circ$ and with $\delta_{ m CP} = -90^\circ$ is around $14^\circ$ $(7^\circ)$ for the baseline option of 540 km (360 km). For hierarchy sensitivity, one can have $3\sigma$ sensitivity for 540 km baseline except $\delta_{ m CP} = \pm 90^\circ$ and $5\sigma$ sensitivity for 360 km baseline for all values of $\delta_{ m CP}$. The octant of $ heta_{23}$ can be determined at $3 \sigma$ for the values of: $ heta_{23} > 51^\circ$ ($ heta_{23} < 42^\circ$ and $ heta_{23} > 49^\circ$) for baseline of 540 km (360 km). Regarding measurement precision of the atmospheric mixing parameters, the allowed values at $3 \sigma$ are: $40^\circ < heta_{23} < 52^\circ$ ($42^\circ < heta_{23} < 51.5^\circ$) and $2.485 imes 10^{-3}$ eV$^2 < \Delta m^2_{31} < 2.545 imes 10^{-3}$ eV$^2$ ($2.49 imes 10^{-3}$ eV$^2 < \Delta m^2_{31} < 2.54 imes 10^{-3}$ eV$^2$) for the baseline of 540 km (360 km).

研究动机与目标

• 使用更新的中微子通量和探测器响应模拟，评估ESSnuSB实验在CP破坏发现方面的潜力。
• 评估在不同基线长度（360 km和540 km）下对δCP测量的精度。
• 确定ESSnuSB对中微子质量层级和θ23八度的敏感度。
• 量化对大气混合参数Δm²₃₁和θ23测量的精度。
• 在保守的系统误差假设下（信号归一化误差5%，背景归一化误差10%）评估结果的鲁棒性。

提出的方法

• 使用更新的束流和靶参数，模拟ESSnuSB配置特有的中微子通量。
• 应用基于Hyper-K几何结构推导的更新迁移矩阵，描述远点探测器的响应。
• 采用χ²-似然分析方法，评估对δCP、质量层级和θ23八度的敏感度。
• 采用标准三味中微子振荡框架，包含参数θ12、θ13、θ23、Δm²₂₁、Δm²₃₁和δCP。
• 实施保守的系统误差：信号归一化误差为5%，背景归一化误差为10%。
• 评估360 km和540 km基线下的性能表现，包括延长运行时间（最长20年）。

实验结果

研究问题

• RQ1 在δCP = ±90°时，ESSnuSB在360 km和540 km基线下的CP破坏发现灵敏度如何？
• RQ2 在>5σ显著性水平下，可探测的δCP值所占比例是多少？
• RQ3 在δCP = 0°和δCP = −90°时，360 km和540 km基线下的δCP 1σ测量精度预期为多少？
• RQ4 在两个基线长度下，ESSnuSB对中微子质量层级和θ23八度的敏感度如何？
• RQ5 在两种基线配置下，Δm²₃₁和θ23的3σ允许范围分别是多少？

主要发现

• 在δCP = ±90°时，ESSnuSB实验在540 km基线达到10σ的CP破坏发现灵敏度，在360 km基线达到13σ，且70%的δCP值可在>5σ水平下被发现。
• 在δCP = 0°时，δCP的1σ精度约为5°；在δCP = −90°时，540 km基线为14°，360 km基线为7°。
• 对于质量层级，在540 km基线除δCP = ±90°外均可实现3σ敏感度，而在360 km基线对所有δCP值均可达到5σ敏感度。
• 在360 km基线，当θ23 < 42°或θ23 > 49°时，可在3σ水平下确定θ23的八度；在540 km基线，当θ23 > 51°时可实现3σ敏感度。
• 大气参数的3σ允许范围为：540 km基线为40° < θ23 < 52° 且 2.485×10⁻³ eV² < Δm²₃₁ < 2.545×10⁻³ eV²；360 km基线为42° < θ23 < 51.5° 且 2.49×10⁻³ eV² < Δm²₃₁ < 2.54×10⁻³ eV²。
• 运行时间延长后灵敏度显著提升：20年运行时间下，540 km基线的CP发现灵敏度达13σ，360 km基线达15σ，且>5σ的覆盖率分别达到76%和80%。