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NOνA （NuMI Off-Axis νe Appearance ）実験は、フェルミラボのNuMI（Neutrinos at the Main Injector）ビームでニュートリノを検出するために設計された素粒子物理学実験です。MINOSの後継となることを意図したNOνAは、フェルミラボにある検出器（近距離検出器）とミネソタ州北部にある検出器（遠距離検出器）の2つの検出器で構成されています。NuMIからのニュートリノは、遠距離検出器に到達するために地球を810 km通過します。NOνAの主な目標は、ミューニュートリノから電子ニュートリノへの振動を観測することです。NOνAの主な物理学目標は次のとおりです。[ 1 ]
ニュートリノ振動は、 PMNS行列とニュートリノ質量固有状態間の質量二乗差によってパラメータ化されます。ニュートリノ混合に3種類のニュートリノが関与すると仮定すると、ニュートリノ振動に影響を与える変数は6つあります。3つの角度θ12、θ23、θ13 、 CP対称性の破れ位相δ 、および3つの質量二乗差のうち任意の2つです。現在、これらのパラメータの特定の値や、それらの間の関係を期待する説得力のある理論的根拠はありません。
θ 23とθ 12はいくつかの実験でゼロでないことが測定されているが、Choozコラボレーションによるゼロでないθ 13の最も感度の高い探索では上限値しか得られなかった。2012年、Daya Bayでθ 13が5.2σの統計的有意性でゼロでないことが測定された。[ 2 ]翌年、T2Kは遷移を発見した。7.3σの有意性で非出現仮説を除外した。[ 3 ] δの測定は行われていない。2つの質量の二乗差の絶対値はわかっているが、一方が他方に比べて非常に小さいため、質量の順序は決定されていない。
NO ν A は、 MINOSなどの前世代の実験よりもθ 13に対して桁違いに感度が高い。遷移を探索することでそれを測定する。フェルミラボのNuMIビームにおいて。もしθ13の非ゼロ値がNOνAによって分解可能であれば、 δと質量順序の測定も同時に観測することで可能になるだろう。パラメータδは、ニュートリノと反ニュートリノの振動確率を異なる形で変化させるため、測定可能です。同様に、質量順序は、ニュートリノが地球を通過する際にMSW効果によってニュートリノと反ニュートリノの振動確率が異なる形で変化するため、決定できます。[ 4 ]
ニュートリノの質量と混合角は、我々の知る限り、宇宙の基本定数である。これらを測定することは、物理学を理解するための基本的な要件である。CP対称性の破れパラメータδの値を知ることは、宇宙に物質と反物質の非対称性がある理由を理解するのに役立つ。また、シーソー機構理論によれば、ニュートリノの非常に小さな質量は、我々がまだ直接研究する技術を持っていない非常に大きな質量の粒子と関連している可能性がある。したがって、ニュートリノの測定は、極めて高いエネルギーでの物理学を研究する間接的な方法である。[ 4 ]
現在の物理学理論では、ニュートリノ混合角が特定の値を持つべき理由は何もありません。しかし、3つのニュートリノ混合角のうち、θ 12だけが最大値でも最小値でもないことが確認されています。NO ν Aの測定やその他の将来の実験で、 θ 23が最大値、θ 13が最小値であることが引き続き示される場合、それはまだ知られていない自然界の対称性を示唆している可能性があります。[ 4 ]
NOνA実験は比較的高いエネルギーで動作するため、質量階層を解明できる可能性を秘めている。現在実施されている実験の中で、δの値への依存度を最小限に抑えつつ、この測定を最も明確に行える範囲が広い。ニュートリノの特性を精密に測定しようとする将来の多くの実験は、NOνAの測定結果を参考に、装置の構成方法や結果の解釈方法を決定することになるだろう。
NO ν Aに類似した実験として、 T2Kという日本のニュートリノビーム実験がある。NO ν Aと同様に、 θ 13とδを測定することを目的としている。ベースラインは 295 km で、 NO ν Aよりも低いエネルギーのニュートリノ、約 0.6 GeVを使用する。低エネルギーと短いベースラインの両方で物質効果があまり顕著ではないため、 δの可能な値の大部分について質量順序を解くことはできない。[ 5 ]
ニュートリノレス二重ベータ崩壊実験の解釈も質量順序を知ることで恩恵を受ける。なぜなら質量階層はこの過程の理論的な寿命に影響を与えるからである。[ 4 ]
原子炉実験でもθ 13を測定する能力がある。δや質量順序を測定することはできないが、混合角の測定はこれらのパラメータの知識に依存しない。θ 13の値を測定した3つの実験は、感度の高い順に、中国の大亜湾、韓国のRENO 、フランスのダブルチューであり、最初のθ 13制御振動の最大値の観測に最適化された1～2 kmの基線を使用している。[ 6 ]
NO ν A は、その主要な物理目標に加えて、既に測定されている振動パラメータの測定を改善することもできます。NO ν A は、MINOSと同様に、ミューニュートリノの検出に適しており、 θ 23に関する知識を洗練することができます。
NO ν A近距離検出器は、現在高い精度で知られていないニュートリノ相互作用断面積の測定を行うために使用されます。この領域におけるその測定は、同じくNuMIビームを使用するMINER ν Aなどの他の同様の今後の実験を補完します。[ 7 ]
NO ν A は銀河の超新星からのニュートリノを検出できるため、超新星早期警戒システムの一部となっています。NO ν A からの超新星データは、スーパーカミオカンデからのデータと相関させることで、これらのニュートリノの振動に対する物質の影響を研究することができます。[ 4 ]
NO ν Aがその物理学的目標を達成するためには、電子ニュートリノを効率的に検出する必要がある。電子ニュートリノは、ニュートリノ振動の結果として、 NuMIビーム（元々はミューニュートリノのみで構成されていた）中に現れると予想されている。
MINOSなどの従来のニュートリノ実験では、地下に設置することで宇宙線によるバックグラウンドを低減させてきた。しかし、NO ν Aは地表に設置されており、偽のバックグラウンドカウントを低減するために、正確なタイミング情報と明確に定義されたビームエネルギーに依存している。この実験装置は、 NuMI ビームの発生源から810 km 、ビームの中心軸から西に14ミリラジアン（12 km）の位置にある。この位置では、中心に位置する場合よりもエネルギー分布がはるかに狭いビームをサンプリングするため、バックグラウンドの影響がさらに低減される。[ 4 ]
この検出器は、微粒子状液体シンチレーター検出器のペアとして設計されています。ミネソタ州北部に設置された遠方検出器は、 それぞれ4cm ×6cm ×16mのセル約50万個で構成され、各セルには 液体シンチレーターが充填されています。シンチレーション光は波長変換器で作られた光ファイバーによって捕捉され、その両端は読み出し用のアバランシェフォトダイオードにつながっています。
フェルミラボの近距離検出器は、振動していないニュートリノビームを測定するもので、遠距離検出器とほぼ同じ設計で、質量は約 1/200 です。この222トンの検出器は、シンチレーターが充填されたセルの 186 面 ( 31面のブロックが 6 つ) と、それに続くミューオンキャッチャーで構成されています。すべての面は同一ですが、最初の6 面は拒否領域として使用され、そこで始まった粒子シャワーはニュートリノではないとみなされ、無視されます。次の 108面は基準領域として機能し、そこで始まった粒子シャワーは関心のあるニュートリノ相互作用です。最後の 72面は「シャワー封じ込め領域」であり、基準領域で始まった粒子シャワーの後続部分を観測します。最後に、1.7メートル長の「ミューオンキャッチャー」領域は、10 枚の液体シンチレーターのアクティブ面を挟んだ鋼板で構成されています。
NO ν A 実験には、多数の機関の科学者が参加しています。各機関は異なるタスクを担当しています。共同研究グループおよびそのサブグループは、毎週電話で定期的に会議を行い、年に数回は対面で会議を行っています。2024 年 5 月現在、参加機関は次のとおりです。[ 9 ]
2007年後半、NO ν Aはエネルギー省の「重要決定 2」審査を通過した。これは概ね、設計、費用、スケジュール、科学的目標が承認されたことを意味する。これにより、このプロジェクトはエネルギー省の議会予算要求に含めることが可能になった。（ただし、NO ν Aの建設開始には「重要決定 3」審査が必要だった。）
2007 年 12 月21 日 、ブッシュ大統領は包括的な歳出法案HR 2764 に署名し、高エネルギー物理学への資金を 予想額 7 億 8200 万ドルから 8800 万ドル削減しました。[ 10 ]フェルミラボの予算は5200 万ドル削減されました 。[ 11 ]この法案には、「陽子加速器ベースの物理学への資金提供の範囲内で、テバトロン複合施設の改良における NO ν A 活動には資金が提供されない」と明記されています。[ 12 ] [ 13 ]そのため、NO ν A プロジェクトはエネルギー省とフェルミラボの両方から承認を維持しましたが、議会はNO ν A に対して、検出器の構築、スタッフへの給与支払い、科学的成果の追求の継続のための 2008 会計年度の資金を一切与えませんでした。しかし、2008年7月、議会はNOνAへの資金提供を含む 補正予算案を可決し、大統領が署名した[ 14 ]。これにより、共同研究は再開することができた。
NO ν Aプロトタイプ近距離検出器（近距離表面検出器、NDOS）は11月にフェルミラボで稼働を開始し、2010年12月15日にNuMIビームからの最初のニュートリノを検出しました。 [ 15 ]プロトタイプとして、NDOSは、使用事例を確立し、後にフェルミラボに近距離検出器として、またミネソタ州アッシュリバーに遠距離検出器（48°22′45″N 92°49′54″W / 48.37912°N 92.83164°W / 48.37912; -92.83164（NO ν A遠距離検出器））として設置された検出器コンポーネントの設計の改善を提案する上で、共同研究に大いに役立ちました。
NO ν A棟の建設が完了すると、検出器モジュールの建設が始まった。2012年7月26日、 最初のモジュールが設置された。モジュールの設置と接着作業は1年以上続き、最終的に検出器ホールはモジュールで満たされた。
最初の検出は2014年2月11日に行われ、建設はその年の9月に完了した。本格的な運用は2014年 10月に開始された。[ 16 ]
Daya Bay Neutrino Experiment は、 3 年間の運用で
sin
2
2
θ
13を
90% CL で 0.01 より正確に測定することを提案している。実験サイト、検出器設計、およびバックグラウンド推定について説明する。
