[論文レビュー] Calibration of the Charge and Energy Response of the MicroBooNE Liquid Argon Time Projection Chamber using Muons and Protons

C. Adams, J. Nowak+186 more|arXiv (Cornell University)|Mar 24, 2020

Muon and positron interactions and applications被引用数 6

ひとこと要約

本論文は、宇宙線ミューオンおよびビーム由来のミューオンとプロトンを用いてアノードワイヤ信号における位置および時間依存の応答変動を補正するデータ駆動型キャリブレーション手法を提示する。この手法により、絶対的エネルギースケールの不確かさが3%に抑えられ、高イオン化度の粒子におけるエネルギー損失および粒子識別精度が向上する。

ABSTRACT

We describe a method used to calibrate the position- and time-dependent response of the MicroBooNE liquid argon time projection chamber anode wires to ionization particle energy loss. The method makes use of crossing cosmic-ray muons to partially correct anode wire signals for multiple effects as a function of time and position, including misconfigured or cross-connected TPC wires, space charge effects, electron attenuation, diffusion, and recombination. The overall energy scale is then determined using fully-contained beam-induced muons originating and stopping in the active region of the detector. Using this method, we obtain an absolute energy scale uncertainty of 3\% in data. We use stopping protons to further refine the relation between the measured charge and the energy loss for highly-ionizing particles. This data-driven detector calibration improves both the measurement of total deposited energy and particle identification based on energy loss per unit length as a function of residual range.

研究の動機と目的

• MicroBooNE液体アルゴン時間投影連合器におけるイオン化エネルギー損失に起因するアノードワイヤ信号の位置および時間依存の歪みを是正すること。
• 電子の減衰、拡散、再結合、空間電荷、ワイヤの不正設定といった複数の検出器効果を是正すること。
• アクティブ体積内で停止する完全に閉じたビーム由来ミューオンを用いて正確な絶対的エネルギースケールを確立すること。
• 停止するプロトンを用いて高イオン化度の粒子の電荷-エネルギー応答を精緻化すること。
• 残存範囲関数としてのdE/dxに基づいて、全エネルギー損失測定および粒子識別を向上させること。

提案手法

• 横断する宇宙線ミューオンを用いて、TPCアノードワイヤ全体における時間および位置依存の信号歪みを特定および是正する。
• ミューオンデータを用いて、不正設定または交差接続されたワイヤ、電子の減衰、拡散、再結合効果に対する補正を適用する。
• アクティブ検出器体積内で発生し停止する完全に閉じたミューオンを分析することで、絶対的エネルギースケールを確立する。
• 停止するプロトンを用いて、高イオン化度の粒子の電荷応答をキャリブレーションし、dE/dx応答モデルを改善する。
• シミュレーションのみに依存するモデルに依存せずに、データ駆動型アプローチで電荷-エネルギー関係を導出する。
• 停止するプロトンおよびミューオンの期待エネルギー損失と測定されたdE/dx値を残存範囲の関数として比較することで、キャリブレーションを検証する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 宇宙線ミューオンを用いて、MicroBooNE LArTPCにおける位置および時間依存の信号歪みをどのように是正できるか？
• RQ2 アクティブ体積内で停止するビーム由来ミューオンを用いた場合、絶対的エネルギースケールの達成可能な不確かさはどの程度か？
• RQ3 プロトンのような高イオン化度の粒子の電荷応答は、予想されるエネルギー損失値と比べてどのように異なるか？
• RQ4 キャリブレーションは、全エネルギー損失測定の精度をどの程度向上させるか？
• RQ5 停止するプロトンを用いて、残存範囲関数としてのdE/dx応答を信頼性高くキャリブレーションできるか？

主な発見

• キャリブレーションにより、MicroBooNE LArTPCアノードワイヤ応答における位置および時間依存の信号歪みが低減された。
• アクティブ体積内で停止するビーム由来ミューオンを用いて、全不確かさ3%の絶対的エネルギースケールが決定された。
• 停止するプロトンを用いて、高イオン化度の粒子の電荷-エネルギー応答が精緻化され、dE/dx測定が向上した。
• データ駆動型キャリブレーションにより、検出器内での全エネルギー損失再構築の精度が向上した。
• 残存範囲関数としてのエネルギー損失/単位長さのdE/dxに基づく粒子識別が向上した。
• キャリブレーションにより、ニュートリノ相互作用解析に不可欠なイオン化エネルギー損失のより正確な測定が可能になった。