[論文レビュー] A Geant4 simulation of particle production at the Spallation Neutron Source

COHERENT Collaboration, D. Akimov+81 more|arXiv (Cornell University)|Sep 22, 2021

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 60被引用数 4

ひとこと要約

本論文は、1.4 MWの1 GeVプロトンビームをHg標的に照射するSpallation Neutron Source (SNS)におけるニュートリノ生成をGeant4でシミュレートし、QGSP_BERT物理リストを用いています。20 mの距離でのニュートリノフラックスは4.7 × 10⁷ ν cm⁻² s⁻¹と予測され、その99％が停止したπ⁺の崩壊に起因しています。また、コherent elastic neutrino-nucleus scattering（CEvNS）測定におけるCOHERENTの主要な系arnessとして、パイオン生成モデルの不確実性（±10％）が特定されています。

ABSTRACT

Release of COHERENT collaboration software associated with the neutrino production studies of the Spallation Neutron Source (SNS) at Oak Ridge National Laboratory described in arXiv:2109.11049. This simulation investigates the particle production at the SNS using Geant4, and we include both the base simulation and our analysis scripts in this package.

研究の動機と目的

• Geant4.10.06とQGSP_BERT物理リストを用いて、SNSのHg標的におけるプロトン誘発粒子生成をシミュレートし、粒子生成量の正確な予測を目的とする。
• COHERENTのcoherent elastic neutrino-nucleus scattering（CEvNS）測定に影響を与える、基礎的なパイオン生成モデルに起因するシミュレートされたニュートリノフラックスの不確実性を定量化することを目的とする。
• D₂O検出器を用いたSNSニュートリノフラックスの直接測定戦略の開発を支援することを目的とする。
• 将来のダークマター探索に重要な粒子（π⁰、π⁻、ηなど）の低エネルギー寄与をモデル化するためのモデル検証を可能にする。
• SNSを基準源として用いる加速器ベースのニュートリノ実験における低エネルギーニュートリノフラックス予測の精度を向上させることを目的とする。

提案手法

• Geant4.10.06とQGSP_BERT物理リストを用い、SNSのHg標的におけるプロトン誘発粒子生成をシミュレートする。
• 20 mの距離でのフラックス計算を簡略化するため、SNS標的を点源として扱う。
• 低エネルギー領域のニュートリノ生成は主に停止π⁺の中間粒子崩壊チェーンに起因しており、これをモデル化する。
• 実験的および理論的入力から得られる10％のパイオン生成モデル不確実性を適用する。
• よく理解されたνₑ + d → p + p + e⁻ 戦断の断面積を用い、将来のD₂O検出器の設計を支援する。
• プロトンスパイル中の活性化素材からのβ⁺/β⁻崩壊の低エネルギー寄与をモデル化するため、シミュレーションフレームワークの拡張を提案する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 1 GeVプロトンビーム条件下で、SNS標的から20 m離れた位置におけるニュートリノフラックスはどの程度か？
• RQ2 全ニュートリノフラックスのうち、停止π⁺崩壊に起因する割合は他の源と比較してどの程度か？
• RQ3 パイオン生成モデルの不確実性が、COHERENTのCEvNS測定における全体の系統的不確実性にどのように影響するか？
• RQ4 SNSに設置されたD₂O検出器は、統計的精度を十分に満たし、νₑフラックスを直接測定してシミュレーションを正規化できるか？
• RQ5 プロトンスパイル中の活性化核種からのβ崩壊による低エネルギー寄与をモデル化するため、シミュレーションフレームワークをどの程度まで拡張できるか？

主な発見

• 1.4 MWの1 GeV入射プロトンビーム条件下で、SNS標的から20 m離れた位置における全ニュートリノフラックスは4.7 × 10⁷ ν cm⁻² s⁻¹と予測された。
• 全ニュートリノフラックスのおよそ99％が停止π⁺の中間粒子崩壊チェーンに起因しており、低エネルギー領域のニュートリノ生成において支配的であることが確認された。
• パイオン生成モデルの不確実性が、シミュレートされたフラックスに10％の系統的不確実性をもたらし、現在はCOHERENTのCEvNS測定における主要な系統的不確実性となっている。
• シミュレーションフレームワークは、SNSにおける粒子フラックスとビームライン幾何効果の推定に不可欠なツールであると検証された。
• 質量約680 kgの将来のD₂O検出器は、4回分のSNSビーム年分の統計的精度に相当し、シミュレートされたフラックスの直接正規化が可能になる。
• プロトンスパイル中の活性化素材からのβ⁺/β⁻崩壊による低エネルギー寄与をモデル化するためのシミュレーションの拡張が進行中であり、将来的な低エネルギーニュートリノ実験に影響を及える可能性がある。