[論文レビュー] Accelerator Neutrino Neutron Interaction Experiment (ANNIE): Preliminary Results and Physics Phase Proposal

H.O. Back, J. F. Beacom+29 more|arXiv (Cornell University)|Jul 25, 2017

Neutrino Physics Research参考文献 2被引用数 36

ひとこと要約

本論文はフェルミラブにおけるANNIE実験の第2フェーズを提案しており、水チェレンコフ検出器に大型アレー・ピコセコンドフォトデテクタ（LAPPD）および強化されたフォトマルチプライヤー管（PMT）を導入し、ニュートリノ-核反応における中性子多重度を測定することを目的としている。主な貢献は、第1フェーズで低レベルの中性子背景を実証したことであり、これにより長基準長の振動物理学および将来の検出器開発に不可欠なニュートリノ反応の精密な研究が可能になる。

ABSTRACT

The R&D mission of the Accelerator Neutrino Neutron Interaction Experiment (ANNIE) is described in detail. ANNIE is: (1) an important measurement of neutrino-nucleus interactions focusing specifically on neutron production, and (2) an R&D effort focused on using new photodetector technology and chemical additives to make advanced water-base neutrino detectors. The ANNIE experiment consists of a small Water Cherenkov detector, instrumented with both conventional photomultiplier tubes (PMTs) and Large Area Picosecond Photodetectors (LAPPDs) deployed on the Booster Neutrino Beam (BNB) at Fermilab. The experiment is designed to proceed in two stages: a partially-instrumented test-beam run using only PMTs (Phase I) for the purpose of measuring critical neutron backgrounds to the experiment; and a physics run with a fully-instrumented detector (Phase II). This paper gives preliminary results of the first phase and described the detector design upgrades necessary for the next phase.

研究の動機と目的

• ビームダンプ実験を用いて、ニュートリノ-核反応における最終状態の中性子多重度を測定すること。
• 長基準長の振動実験におけるニュートリノエネルギー再構築の系統的不確実性を低減すること。
• 将来の大規模検出器向けに、LAPPDおよびGd-doped水をニュートリノビーム環境で使用することの有効性を実証すること。
• プロトン崩壊および超新星ニュートリノ探索のためのニュートリノタギング効率およびフィducialボリューム最適化の妥当性を検証すること。
• 次世代の水チェレンコフニュートリノ検出器「Theia」の開発を支援すること。

提案手法

• フェルミラブのブースター・ニュートリノビーム（BNB）ホールに、従来のPMTとLAPPDを備えた水チェレンコフ検出器を設置する。
• 第1フェーズのデータを用いて中性子背景率を測定・確認し、第2フェーズの物理学的目標を達成可能であることを裏付ける。
• LAPPDのリードアウトをPSEC4システムを介して統合し、LAPPDからの非同期データストリームを処理できるようにDAQをアップグレードする。
• PMTのカバレッジ向上とミューオンレンジ検出器（MRD）の刷新により、中性子の封じ込めおよびフィducialボリュームの最適化を図る。
• 運動論的再構築および頂点フィducial化を適用し、信号の識別とバックグラウンドの抑制を強化する。
• ANNIEPOSTのオフライン処理ツールを活用し、生データに対して幾何学的補正、キャリブレーション、トリガー分離を施す。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 水中におけるニュートリノ-核反応のなかで中性子多重度はどの程度で、それがニュートリノエネルギー再構築にどのように影響を与えるか？
• RQ2 高いバックグラウンドを持つビーム環境下で、LAPPDは中性子をどの程度効果的にタグできるか？
• RQ3 2p-2h反応およびスタックドパイオン反応は、CCQEに類似したイベントにおいてニュートリノエネルギー再構築をどの程度歪ませるか？
• RQ4 Gd-doped水とLAPPDを組み合わせることで、ニュートリノ実験における中性子検出効率を顕著に向上させられるか？
• RQ5 フィducialボリューム最適化および頂点再構築は、ニュートリノ反応測定におけるバックグラウンドをどの程度低減できるか？

主な発見

• 第1フェーズのデータから、SciBooNEホールにおける中性子背景が十分に低く、第2フェーズの物理学的測定を実施可能であることが確認された。
• Incom Inc.が製造したLAPPDモジュールはテストを完了し、ANNIEへの導入に向け準備が整っている。リードアウト用電子回路および防水ハウジングも開発済みである。
• 既存のANNIE DAQシステムは、主に新しいドライバおよびインターフェースハードウェアの追加により、最小限の改変でLAPPDデータストリームをサポートできるようアップグレード可能である。
• 第2フェーズの検出器設計ではPMTカバレッジが向上し、128本のPMTおよび最大20本のLAPPDモジュールを統合することで、中性子タギング効率が向上する。
• VMEベースのリードアウトシステムはスケーラブルであり、480本の負のHVチャネルおよび160本の正のHVチャネルをサポートするCAEN SY4527クリアスタイプを計画的に使用する。
• 共同研究チームは、LAPPDリードアウトおよび制御システムが既存のANNIEインfraストラクチャと互換性があり、PSEC4システムと統合可能であることを実証した。