利用中低能加速器中微子研究轻子CP破坏

Neutrino oscillation is the only experimental phenomenon that is beyond the standard model of the particle physics so far. The primary targets of the next generation neutrino experiments are measuring the neutrino mass hierarchy and the CP-violating phase. CP phase is not only the fundamental parameter of the nature, but also likely to explain the disappearance of the antimatter. Most of the accelerator experiments in the world are designed with high energy (~GeV) and long baseline (~1000km), which can measure both the mass hierarchy and the CP phase simultaneously with degeneracy. We have established a study group (MOMENT group) and proposed a new concept to measure CP phase unambiguously, with a medium or low energy (<300MeV) muon decay neutrino at a medium baseline (~150km), using an appropriate detector such as the liquid scintillator to tag the inverse beta decay signal. A shorter baseline can reduce the matter effect and the muon decay has very low beam related backgrounds, thus it can reach a very high sensitivity. We will have detail studies on the physics potential of the MOMENT concept, and give the CP phase sensitivity and do optimization of the neutrino energy and the baseline. We will also develop the detector analysis technique, espcially the event reconstruction and particle identification in the liquid scintillator detector.

中微子振荡是目前发现的唯一超出粒子物理标准模型的实验现象。下一代中微子实验的首要科学目标是测量中微子质量顺序和描述CP破坏的相位。其中，CP相位不仅是自然界最基本的参数，也被认为可能解释宇宙起源中的反物质消失之谜。国际上主流的加速器实验方案通常采用高能量（GeV量级）和长基线（1000km量级），可以同时测量质量顺序和CP相位，但两者存在简并。我们已经成立了一个研究小组（MOMENT合作组），提出了一个单独测量CP相位的研究方案，选择了中低能（300MeV以下）和中等基线（150km）muon衰变产生的中微子，通过合适的探测器如液体闪烁体挑选反贝塔衰变信号，可以排除物质效应的干扰，且具有极低的束流相关本底，有望得到很高的CP灵敏度。本项目将具体研究MOMENT方案的物理潜力，给出CP相位的灵敏度并以此对中微子能量和基线进行优化。同时大力发展探测器分析技术，重点是液闪中的事例重建和粒子鉴别。

中微子物理学是当前基本粒子物理学、天体物理和宇宙学的重要前沿研究方向。中微子振荡是唯一证实的超出粒子物理标准模型的实验现象。下一代中微子实验的首要科学目标是测量中微子质量顺序和描述CP破坏的相位。其中，CP相位不仅是自然界最基本的参数，也被认为可能解释宇宙起源中的反物质消失之谜。国际上主流的加速器实验方案通常采用高能量（GeV量级）和长基线（1000km量级），可以同时测量质量顺序和CP相位，但两者存在简并。本项目基于加速器驱动次临界系统（ADS）通过次级缪子衰变产生平均能量小于300MeV的中微子束流进行探测CP破坏的相关研究。模拟得到了中微子束流的流强和能谱并对带电介子的输运和收集进行了优化；研究了中微子与探测器发生的弹性散射和准弹性散射相互作用，并得到了探测器中预期观测到的事例数；研究了液闪探测器中的事例能量重建、顶点重建、径迹重建和粒子鉴别，并在此基础上发展了事例挑选方法和本底估计；开发了分析软件并得到探测CP破坏的灵敏度为4-5倍标准偏差。但在考虑了大气中微子本底之后，CP破坏的灵敏度下降为1倍标准偏差左右，这是连续束流的加速器中微子实验方案不可回避的一大难题。这些工作为国内发展加速器中微子束流及其物理研究提供了重要的依据。正是基于本项目的研究工作，结合国际上最新的实验动态，江门中微子实验已经将下一阶段的科学目标，从接收加速器中微子束流探测CP破坏，调整为探测无中微子的双贝塔衰变。另一方面，国内的加速器中微子研究团队在继续发展中微子束流产生技术的基础上也开始进行缪子束流的产生及相关物理研究。