加速器中微子振荡实验MOMENT的优化及其唯象学探究

It has been proved by many experiments that neutrinos are massive particles. Neutrino oscillation phenomenon is a new physics beyond Standard Model in particle physics. However, 3-generation neutrino mixing brings a leptonic CP phase which is still unknown. China has established a working group MOMENT(MuOn-decay MEdium baseline NeuTrino beam facility) using accelerator neutrinos and antineutrinos to probe the leptonic CP phase. The conceptual design using the accelerator to produce neutrino sources was published in 2014 with a room of imaginations for neutrino detectors and the reference design. This proposal intends to study the discovery reach of CP violations in MOMENT, optimize the baseline between the neutrino source and the neutrino detectors, and select the best detector option. Meanwhile, we plan to make a comparison between MOMENT in China and T2HK&LBNF from Japan, Europe and US to present the physics predictions and give suggestions in the reference design report.

中微子振荡实验已经提供令人信服的证据，表明中微子是有质量粒子。中微子振荡现象是超越粒子物理标准模型的新物理现象。但是，三代中微子混合必然引入轻子CP相角，此CP相角大小一直玄而未决。我国已经成立MOMENT(MuOn-decay MEdium baseline NeuTrino beam facility)合作组，正在推进低能加速器中微子实验项目，有望通过muon子衰变产生正反中微子，利用多个振荡道探究测量轻子部分的CP破坏相角。加速器端的概念设计已经形成并发表，中微子近远端探测器和实验设计方案仍待进一步研发。本课题主要讨论加速器中微子振荡实验对轻子部分CP破坏相角发现的可能性，并以此优化实验的基线和束流能标，选择最佳的探测器类型满足物理目标。同时，我们也对比中国MOMENT实验与欧美日加速器中微子实验实验方案T2HK和LBNF，分析实验预期结果并给出合理建议。

中微子振荡现象是超越粒子物理标准模型的新物理现象，轻子部分CP破坏(CPV)将有助于解释宇宙的物质与反物质不对称问题，是否存在CPV一直是加速器中微子实验的研究目标。是否存在惰性中微子，中微子是否参与超越标准模型新相互作用(NSIs)等新物理亟待深究。我国提出MOMENT实验计划是基于缪子衰变的低能加速器中微子实验，可用于发现CPV和新物理。加速器端的概念设计已经形成并发表,中微子近远端探测器和物理灵敏度仍待进一步研究。我们模拟结果指出，MOMENT实验的CP破坏灵敏度与正在运行的T2K和NOvA实验互补，但是无法超过下一代加速器中微子实验计划T2HK和DUNE实验。因此，我们优化MOMENT实验的物理目标瞄准超越标准模型的NSIs和惰性中微子的寻找等。.首先，重/轻的惰性中微子分别引入三代中微子混合矩阵的间接/直接幺正性破坏，我们对比未来的加速器中微子实验(T2HK，DUNE和中微子工厂)的物理灵敏度，发现比MOMENT实验中微子束流能量略高的低能中微子工厂具有独特的优势。MOMENT实验需要升级至低能中微子工厂方能战胜T2HK和DUNE。其次，我们研究适应于MOMENT实验物理目标的探测器类型，对比完全闪烁体探测器(TASD)和掺镓水基切伦科夫探测器(GdWC)等，补偿MOMENT实验中低能中微子较小的散射截面，最佳探测器是超大质量的GdWC探测器，满足各种物理目标，我们重点关注超越标准模型的中微子新相互作用。MOMENT的基线较短，在束流和探测中的带电流NSIs(CC-NSIs)比物质中的中型流NSIs(NC-NSIs)更加重要。我们通过研究CC-NSIs发现，MOMENT实验的近端和远端探测器结合使用将异常重要。最后，近期T2K和NOvA实验数据分析结果存在冲突，部分物理学家认为这归咎于中微子衰变，我们考虑了MOMENT实验计划对中微子衰变的限制，发现比T2K和NOvA实验结果灵敏度更高。.本项目执行期间，共发表期刊论文3篇，多次主办学术会议如LeptonPhoton2017和MOMENT工作组研讨会等，多次受邀参加国内外学术会议如“国际加速器中微子研讨会(NuFact)”等，并报告研究进展。本课题的研究有利地推动了我国加速器中微子实验的长足进步。