[論文レビュー] A Proposal for a Near Detector Experiment on the Booster Neutrino Beamline: FINeSSE: Fermilab Intense Neutrino Scattering Scintillator Experiment

The FINeSSE Collaboration, Brice, S.+28 more|ArXiv.org|Feb 3, 2004

Neutrino Physics Research参考文献 10被引用数 12

ひとこと要約

FINeSSEは、フェルミラブのブースター・ニュートリノビームラインに近接検出器実験を提案し、二段階のシンチレーター検出器を用いて、中性荷電現在のニュートリノ散乱を介して核子スピンにおける奇妙クォークの寄与（$\Delta s$）を測定するとともに、高エネルギー差（$\Delta m^2$）領域における$\nu_\mu$消失を探索する。検出器は発生源から100 mの位置に設置され、低エネルギー陽子のためのバーテックストラッカーと、高エネルギーのミューオンのためのミューオンレンジスタックを統合しており、2年間で6×10²⁰ POTのデータ取得により$\Delta s$の感度を達成する。

ABSTRACT

Understanding the quark and gluon substructure of the nucleon has been a prime goal of both nuclear and particle physics for more than thirty years and has led to much of the progress in strong interaction physics. Still the flavor dependence of the nucleon's spin is a significant fundamental question that is not understood. Experiments measuring the spin content of the nucleon have reported conflicting results on the amount of nucleon spin carried by strange quarks. Quasi-elastic neutrino scattering, observed using a novel detection technique, provides a theoretically clean measure of this quantity. The optimum neutrino beam energy needed to measure the strange spin of the nucleon is 1 GeV. This is also an ideal energy to search for neutrino oscillations at high $Δm^2$ in an astrophysically interesting region. Models of the r-process in supernovae which include high-mass sterile neutrinos may explain the abundance of neutron-rich heavy metals in the universe. These high-mass sterile neutrinos are outside the sensitivity region of any previous neutrino oscillation experiments. The Booster neutrino beamline at Fermilab provides the world's highest intensity neutrino beam in the 0.5-1.0 GeV energy range, a range ideal for both of these measurements. A small detector located upstream of the MiniBooNE detector, 100 m from the recently commissioned Booster neutrino source, could definitively measure the strange quark contribution to the nucleon spin. This detector, in conjunction with the MiniBooNE detector, could also investigate $ν_μ$ disappearance in a currently unexplored, cosmologically interesting region.

研究の動機と目的

• 中性荷電現在のニュートリノ散乱を介して、理論的に明確でモデルに依存しない方法により、核子スピンにおける奇妙クォークの寄与（$\Delta s$）を測定すること。
• 1–10 eV²の高エネルギー差領域における$\nu_\mu$消失を、rプロセス核合成やステアラー・ニュートリノモデルといった天体物理学的現象に関連付けて調査すること。
• 0.5–1.0 GeVの高強度ニュートリノビームを、フェルミラブが提供するものであり、$\Delta s$測定および高エネルギー差領域の振動探索に最適である。
• 低エネルギー陽子のための液体シンチレーター・バーテックス検出器と、長距離を走るミューオンのためのミューオンレンジスタックを備えた二段階の検出器システムを用いて、これらの目的を達成すること。
• ミニブーネ（MiniBooNE）実験と連携し、二重ベースライン測定により$\nu_\mu$消失の感度を向上させること。

提案手法

• 検出器はブースター・ニュートリノターゲットから100 mの位置に設置され、$\Delta s$測定に最適な高強度（最大6×10²⁰ POT）および最適エネルギー（1 GeV）のビームを活用する。
• バーテックス検出器は、準弾性散乱から生じる低エネルギー陽子を追跡するため、バブル・チャンバータイプの液体シンチレーター構造を採用する。
• 下流に配置されたミューオンレンジスタックは、鉄プレートとシンチレーター層の積層構造から成り、電荷現在反応で生成されたミューオンのレンジを測定する。
• フォトマルチプライヤー管（PMT）とカスタム電子回路が両サブ検出器からの信号を読み取り、エネルギーおよび位置分解能を保証するためのキャリブレーション手順が実施される。
• イベント再構築には、中性荷電現在（NCp）および電荷現在準弾性（CCQE）イベントを同定するためのカットを適用し、モンテカルロシミュレーションにより効率および純度を定量する。
• フィット手順により、$Q^2 = 0.2–0.4$ GeV²における比$R(\text{NC/CC})$から$\Delta s$を抽出し、忠実な領域選択とバックグラウンド抑制により系統誤差を最小限に抑える。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 奇妙クォークは核子スピンにどの程度寄与しているのか。また、矛盾する実験結果と比較してどうなるか。
• RQ2 近接検出器実験は、1–10 eV²の高エネルギー差領域における$\nu_\mu$消失を観測できるか。これは、これまでの実験では未調査の領域である。
• RQ3 2年間の運用で6×10²⁰ POTのデータ取得のみで、FINeSSE検出器は$\Delta s$に十分な感度を達成できるか。
• RQ4 FINeSSEとミニブーネ（MiniBooNE）の組み合わせにより、パララックスベースのベースライン分離を用いて$\nu_\mu$消失の感度がどのように向上するか。
• RQ5 FINeSSE検出器における主要なバックグラウンドは何であり、運動学的およびトポロジー的カットを用いてどのように抑制できるか。

主な発見

• 1×10²⁰ POT/トンの検出器で100 m地点に約215,000件のイベントが予想され、$^{12}$Cにおける最終状態相互作用を含めると約527,000件に増加する。
• 2.2 m³のフィducialボリューム内では、CCQEイベントの再構築効率が87%、純度が85%に達し、全予想イベント数に2.45倍のスケーリング係数を適用する。
• 6×10²⁰ POTの運用で、$Q^2 = 0.2–0.4$ GeV²における$R(\text{NC/CC})$の相対誤差は約1.5%と推定され、$\Delta s$の高精度抽出が可能となる。
• 25 mの吸収体を設置することで、$\Delta m^2 \sim 1$ eV²における$\nu_\mu$消失の感度を達成可能であり、50 mの吸収体ではバックグラウンド抑制がさらに向上する。
• レンジスタックにおけるミューオンレンジ再構築の効率は90%に達すると予想され、シートパイプ坑とガンタリークレーンを含むカウチの費用は160万米ドルである。
• データ取得は2006年半ばに開始予定であり、検出器およびカウチの設置に2.5年が割り当てられている。