[論文レビュー] A Novel Cosmic Ray Tagger System for Liquid Argon TPC Neutrino Detectors

M. Auger, M. Del Tutto+14 more|arXiv (Cornell University)|Dec 14, 2016

Neutrino Physics Research参考文献 3被引用数 4

ひとこと要約

本論文は、フェルミラブのショートベースラインニュートリノ（SBN）計画における液体アルゴンタイムプロジェクションチェンバー（LArTPC）ニュートリノ検出器向けに、新規のシンチレーター基盤の宇宙線タッカー（CRT）システムを提案する。16本のシンチレーター・ストリップモジュールに波長シフトファイバーとシリコンフォトマルチプライヤー（SiPM）を組み合わせることで、CRTはミューオン検出効率が95％以上、空間分解能が1.8 cm、タイミング分解能が1.2 nsを達成し、ニュートリノ相互作用再構築におけるバックグラウンドを低減するための宇宙線の正確なタグ付けを可能にする。

ABSTRACT

The Fermilab Short Baseline Neutrino (SBN) program aims to observe and reconstruct thousands of neutrino-argon interactions with its three detectors (SBND, MicroBooNE and ICARUS-T600), using their hundred of tonnes Liquid Argon Time Projection Chambers to perform a rich physics analysis program, in particular focused in the search for sterile neutrinos. Given the relatively shallow depth of the detectors, the continuos flux of cosmic ray particles which crossing their volumes introduces a constant background which can be falsely identified as part of the event of interest. Here we present the Cosmic Ray Tagger (CRT) system, a novel technique to tag and identify these crossing particles using scintillation modules which measure their time and coordinates relative to events internal to the neutrino detector, mitigating therefore their effect in the event tracking reconstruction.

研究の動機と目的

• フェルミラブSBN計画におけるLArTPC検出器の有効体積を貫通する宇宙線ミューオンが引き起こす主要なバックグラウンドを軽減すること。
• 誤って識別された宇宙ミューオンに起因する誤検出イベントを低減することで、ニュートリノ振動測定の感度を向上させること。
• タグ付けされた宇宙ミューオンを用いた、検出器の正確なキャリブレーションと応答特性の特定を可能にすること。
• 大容量LArTPC向けに、スケーラブルで高パフォーマンスなタグ付けシステムを、シンチレーター・ストリップ、WLSファイバー、SiPMを用いて開発すること。
• きめ細やかな品質保証およびキャリブレーション手順により、すべてのモジュールで一貫した性能を確保すること。

提案手法

• CRTシステムは、アルミ筐体に収納された16本の機械的に接合されたシンチレーター・ストリップ（10.8 cm幅、0.1 mmの接着層）を用い、2 mmの厚さの壁で機械的安定性を確保する。
• 各ストリップは、両端に取り付けられた2本の波長シフト（WLS）ファイバーと2つのSiPMによって読み取られ、信号の振幅比を用いて位置再構築が可能になる。
• 250 MHzの粗いカウンタとディレイチェーンインタポレータを備えたフロントエンドボード（FEB）により、イベントタイムスタンプのための1.2 ns RMSのタイミング分解能が達成される。
• シンチレーター内の光伝播遅延を測定し、有効遅延を6.1 ± 0.7 ns/mと特定し、飛行時間測定の補正に用いる。
• 異なるストリップ位置およびモジュール構成における位置およびタイミング分解能の妥当性を検証するために、宇宙ミューオンをキャリブレーション源として用いる。
• 隣接モジュールおよび7.3 m離れたモジュール間のトリガータイミング差を、交差するミューオンを用いて測定し、それぞれ2 nsおよび25 nsのケーブル遅延が確認された。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 大容量LArTPCにおいて、シンチレーター基盤のタグ付けシステムが、宇宙ミューオンに対して95％以上の検出効率を達成できるか。
• RQ2 2つのSiPMによるダブルリードアウトを用いたシンチレーター・ストリップで、ミューオン位置再構築の空間分解能はどの程度達成可能か。
• RQ3 FEBシステムのタイミング分解能が、異なる信号振幅およびパス長においても1.2 ns RMSを維持できるか。
• RQ4 7.3 mの距離で分離された複数のモジュール間で、CRTシステムが宇宙ミューオンの相対的タイミングをどの程度正確に解明できるか。
• RQ5 SBN検出器における宇宙線バックグラウンドに起因する誤ったニュートリノ相互作用再構築を、CRTシステムがどの程度低減できるか。

主な発見

• 宇宙線キャリブレーションにより確認されたように、CRTシステムは各モジュールの表面全域で95％を超えるミューオン検出効率を達成している。
• 位置再構築の空間分解能は1.8 cmであり、信号振幅補正により再構築位置と真のヒット位置の差のRMSが最小限に抑えられている。
• FEBシステムのタイミング分解能は1.2 ns RMSであり、パルスレーザーを用いた測定と、SiPMからの25 cmおよび375 cmの距離で検証済みである。
• シンチレーター・ストリップ内の有効光伝播遅延は6.1 ± 0.7 ns/mと測定され、正確な飛行時間補正が可能になった。
• モジュール間のトリガータイミング差は、期待されるケーブル遅延（2 nsおよび25 ns）と一致しており、システム全体で安定的かつ予測可能なタイミングが確保されていることが確認された。
• 品質保証テストにより、すべてのモジュールで一貫した性能が確認され、検出効率および分解能が一貫しており、大規模な展開に耐える信頼性が裏付けられた。