欧洲散裂源中微子超级束概念设计报告

本概念设计报告详细介绍了欧洲散裂源中微子超级束（ESS$\nu$SB）可行性研究。在2012年报道的中微子混合角 $\theta_{13}$ 相对较大的测量值之后，提出了该设施，这一测量值提升了利用传统中微子束观测轻子 sector 中潜在CP破坏的可能性。测得的 $\theta_{13}$ 值也使得以第 $2$ 振荡极大发现CP破坏优于通常研究的第 $1$ 极大。该第 $2$ 振荡极大的灵敏度约为第 $1$ 极大的三倍，这意味着系统误差的影响减小。在第 $2$ 振荡极大工作需要有适当能量的极强中微子束。世界上最强的脉冲散裂中子源——欧洲散裂源（ESS）——将拥有用于中子产生的质子直线加速器，其功率为5\,MW、动能2\,GeV、重复频率14~Hz（脉冲持续时间3~ms、占空比4\%）。在本设计研究中，提议将重复频率加倍并将束流脉冲压缩至微秒量级，从而为产生中微子提供额外的5~MW质子束。已针对此种中微子超级束，结合安装在距ESS 360--550\,km处的兆吨级地下 water Cherenkov 中微子探测器，评估了物理性能。本报告描述了ESS质子直线加速器升级、质子脉冲压缩所需的累积环、靶站设计与优化、近端与远端探测器综合体，以及该设施的物理潜力。ESS直线加速器将于2025年投入运行，届时可能开始实施中微子设施的升级。