Neutrino mass hierarchy and leptonic CP violation discovery confidence limits in LAGUNA
| Title: | Neutrino mass hierarchy and leptonic CP violation discovery confidence limits in LAGUNA |
| Author(s): | Kärkkäinen, Timo |
| Contributor: | University of Helsinki, Faculty of Science, Department of Physics |
| Discipline: | Theoretical Physics |
| Language: | English |
| Acceptance year: | 2013 |
| Abstract: |
Neutrino oscillation is a particle physics phenomenon, where neutrino flavour is not conserved. The phenomenon was conjectured during the 1950s by Pontecorvo and confirmed during the 1990s by Super-Kamiokande collaboration. Consequently, neutrinos must have Dirac or Majorana mass and a relevant mass term must be included in standard model. Neutrino oscillation is the first confirmed beyond standard model phenomenon. It leads to nonconservation of quantum numbers L_e, L_μ and L_τ. Currently the scientific community has detected three different neutrinos, but has failed in designating the mass hierarchy and absolute mass of them. In addition, charge-parity symmetry violation (CP violation) is expected, but yet unconfirmed in the neutrino oscillation.
This thesis includes a brief historical journey to neutrino physics and a lengthy discussion of electroweak sector of standard model (Glashow–Weinberg–Salam theory), with detailed phenomenology of neutrino oscillations. GLoBES simulation program and its partner AEDL language is introduced. Experiment definition methods in AEDL are covered extensively. The most important parameters are neutrino flux, source power, target mass and baseline length. Statistical methods are represented briefly. Main tool is χ2-test. Neutrino sources are assumed to be 700 kW SPS at CERN, Switzerland, 450 kW particle accelerator Protvino, Russia and 5 MW particle accelerator at Lund, Sweden. The target is LAGUNA detector at Pyhäsalmi mine, Finland.
Using specifications of LAGUNA detector currently on drawing board and SPS as the neutrino source, the confidence limits for determining neutrino mass hierarchy and discovering nonzero CP violation are calculated. Mass hierarchy is almost conclusively determined, most of the δ_CP parameter space exceed the 5σ limit, which is considered the limit for a confirmed scientific discovery. CP violation discovery is confirmed within 5σ limit with 70 % of δ_CP parameter space. Including both the SPS and Protvino accelerator neutrino fluxes, the covered parameter space is increased significantly with both mass hierarchy determination and CP violation discovery. Including also Lund accelerator neutrino flux, mass hierarchy is conclusively determined. CP violation discovery is confirmed within 5σ limit with 65 % of δ_CP parameter space and within 90 % limit with 85 % of δ_CP parameter space.
Pyhäsalmi mine is 2288 km from CERN neutrino source. The baseline is very close to bimagic baseline 2540 km, which allows extremely good statistics and sensitivity of oscillation parameters. In conclusion, Pyhäsalmi mine should be given priority, when candidate sites are considered.
Neutriino-oskillaatio on hiukkasfysiikan ilmiö, missä neutriinot muuttavat makuaan. Ilmiö havaittiin 1990-luvun lopulla ja siitä seuraa, että neutriinoilla on nollasta eroava massa. Tällä hetkellä tunnetun kolmen eri neutriinon massajärjestystä ei ole onnistuttu selvittämään eikä varaus–pariteetti -symmetriarikkoa (CP-rikkoa) ole vielä havaittu leptonisektorilla.
Tutkielma alkaa historiallisella katsauksella neutriinofysiikkaan. Hiukkasfysiikan standardimallin sähköheikko teoria (Glashow–Weinberg–Salam -teoria) käydään perinpohjaisesti läpi. Neutriino-oskillaatio on ensimmäinen kokeellisesti vahvistettu hiukkasfysiikan standardimallin ulkopuolinen ilmiö. Tästä seuraa, että kvanttiluvut L_e, L_μ ja L_τ eivät säily. Neutriinojen massa on Diracin, Majoranan tai molempia. Kaikissa tapauksissa standardimallia on laajennettava lisäämällä Lagrangen tiheyteen neutriinojen massatermi.
Neutriino-oskillaatioiden fenomenologiaa käsitellään yksityiskohtaisesti. GLoBES-simulaatioohjelma, siihen läheisesti liittyvä AEDL-ohjelmointikieli ja simuloitavan neutriinolähteen määrittelyparametrit käyttötarkoituksineen esitellään. Tärkeimmät parametrit ovat lähteen neutriinovuo, kiihdytinteho, ilmaisimen massa ja peruslinja. Tilastollisia menetelmiä käsitellään lyhyesti. Perustyökalu on χ2-testi. Neutriinolähteiksi oletetaan 700 kW:n SPS-kiihdytin CERNissä, Sveitsissä, 450 kW:n hiukkaskiihdytin Protvinossa, Venäjällä sekä 5 MW:n hiukkaskiihdytin Lundissa, Ruotsissa. Neutriinosuihkut kohdistetaan LAGUNA-ilmaisimelle Pyhäsalmen kaivokseen, Suomeen.
Käyttäen LAGUNA-ilmaisimen suunnitteluvaiheessa olevia oletettuja ominaisuuksia ja olettaen SPS:n neutriinolähteeksi, neutriinojen massajärjestyksen ja CP-rikon löytymisen luottamusvälit laskettiin. Massajärjestys saadaan lähes täysin varmasti määritettyä, sillä δ_CP:n parametriavaruudesta suurin osa ylittää 5σ:n (viiden sigman) rajan, mitä pidetään nykyisin rajana uuden tieteellisen löydön hyväksymiselle. 3σ:n (kolmen sigman) raja ylittyy kaikilla δ_CP:n arvoilla. CP-rikon löytyminen vahvistetaan 5σ:n (viiden sigman) luottamusvälillä 40 prosentilla δ_CP:n parametriavaruudesta ja 90 %:n luottamusvälillä 70 prosentilla. Kun Protvinon kiihdyttimen neutriinovuo huomioidaan, parametriavaruuden se osa, joka ylittää tietyn luottamusvälin, kasvaa merkittävästi. Ottamalla huomioon myös Lundin kiihdyttimen neutriinovuo, massajärjestys saadaan määritettyä täysin varmasti 5σ:n (viiden sigman) tarkkuudella. CP-rikon löytyminen tapahtuu 5σ:n luottamusvälillä 65 prosentilla δ_CP:n parametriavaruudesta ja 90 %:n luottamusvälillä 85 prosentilla. Pyhäsalmen kaivos on 2288 km:n päässä CERNistä. Etäisyys on hyvin lähellä kaksoismaagista etäisyyttä, mistä seuraa erittäin hyvä statistiikka ja oskillaatioparametrien herkkyys. Johtopäätöksenä Pyhäsalmen kaivos on ensisijainen ehdokas LAGUNAn sijoitusta varten.
|
| Keyword(s): | neutriino neutriino-oskillaatio hiukkasfysiikka CP-rikko massajärjestys LAGUNA neutrino neutrino oscillation particle physics mass hierarchy CP violation |
Files in this item
| Files | Size | Format | View |
|---|---|---|---|
| GraduFinal.pdf | 1.195Mb |
This item appears in the following Collection(s)
-
Faculty of Science [4026]