[論文レビュー] Detector R&D for ANNIE and Future Neutrino Experiments

E. Tiras|arXiv (Cornell University)|Oct 19, 2019

Neutrino Physics Research参考文献 11被引用数 5

ひとこと要約

本論文は、フェルミラブのANNIE実験における研究開発作業を提示しており、大面積ピコ秒フォトダイオード（LAPPD）とガドリニウムドープ水チェレンコフ技術の導入により、ニュートリノ-核反応における中性子生成率および荷電荷・準弾性断面積の高精度測定を可能にする。LAPPDは約50 psの時間分解能とmmレベルの像分解能を達成し、頂点および軌跡再構築が著しく向上しており、2019年に全検出器の試運転が完了し、データ取得が開始された。

ABSTRACT

The Accelerator Neutrino Neutron Interaction Experiment (ANNIE) is designed to serve as a test bed for new detector technologies in future water and liquid scintillator based neutrino experiments. Located on the Booster Neutrino Beam at Fermilab, ANNIE will be the first gadolinium-loaded water Cherenkov detector on a neutrino beam and will provide high statistics measurements of neutron yields from neutrino interactions in water. It is also the first particle physics application of the new photosensor technology: Large Area Picosecond Photodetectors (LAPPDs). With single photon time resolutions of roughly 50 psec and mm-level imaging capabilities, LAPPDs bring considerable new capabilities for neutrino reconstruction in Cherenkov and scintillator detectors. Leveraging this technology to make detailed neutrino measurements, ANNIE will serve as a first demonstration of their impact on physics. In addition to LAPPDs, the ANNIE R&D program will likely explore other new technologies such as the addition of water-based liquid scintillator. The ANNIE Phase II detector is currently under construction and will start to take data in the summer of 2019. In this talk, I will present on the ANNIE detector R&D program and its relevance to current and future neutrino experiments.

研究の動機と目的

• 将来の水および液体シンチレーションベースのニュートリノ実験に向けた新しい検出器技術の開発と試験。
• ニュートリノビームを用いた水中での中性子生成度および荷電荷・準弾性断面積の測定。
• 大面積ピコ秒フォトダイオード（LAPPD）を粒子物理学実験で初めて応用することの実証。
• Gdドープ水の展開に適した低コストの水の浄化および循環システムの検証。
• 高精度な時間測定および像分解能機能を活用した高度なニュートリノ再構築の実現。

提案手法

• 26トンのガドリニウムドープ水チェレンコフ検出器に、132個の従来型PMTと5個のLAPPDを設置。
• 50 psの時間分解能とmmレベルの像分解能を持つLAPPDを用い、詳細なチェレンコフ光再構築を実施。
• 亜鉛鉱石を含む樹脂を用いた低コストの水の浄化システムを導入し、亜硝酸塩およびフリーラジカルを除去。
• 2次元移動ステージを備えた暗室環境下で、50 psパルスの405-nm半導体レーザーと420-nm LEDを用いてLAPPDの特性評価。
• 10 Gsample/secの波形サンプリングと自動テストを実行するPSEC4ベースの読み出しボードの実装。
• LAPPD特性評価における高電圧制御、レーザー位置制御、データ取得のコンピュータ制御システムの統合。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 LAPPDはニュートリノ検出器環境下で100 ps未満の時間分解能とmmレベルの像分解能を達成できるか？
• RQ2 ガドリニウムドーピングは、水チェレンコフ検出器における中性子検出効率を向上させるのにどの程度効果的か？
• RQ3 低コストでスケーラブルな水の浄化システムは、長期間にわたり超高純度Gdドープ水を維持できるか？
• RQ4 LAPPDはニュートリノ反応における頂点および軌跡再構築をどの程度向上させるか？
• RQ5 ビーム環境下におけるLAPPDの1光子電子パルス波形および伝搬時間スプレッドの性能はいかがなものか？

主な発見

• LAPPDプロトタイプは、4％未満のアフターパルスを伴いながらも、60ピコ秒未満の伝搬時間スプレッドを達成した。
• LAPPDからの1光子電子（sPE）パルスは、立ち上がり時間が850ピコ秒、半値全幅が1.1ナノ秒であった。
• LAPPD特性評価装置により、光感受体上に2.5 mmの空間分解能で正確な量子効率マップが得られた。
• ANNIEフェーズII検出器（5個のLAPPDを含む）は正常に試運転を完了し、2019年10月にデータ取得を開始した。
• 低コストの硫酸塩含有樹脂は、亜硝酸塩およびフリーラジカルを効果的に除去し、溶液中にGd硫酸塩のみを残した。これにより、Gd-水の安定な展開が可能になった。
• 水を満タンにした状態でも、郵便用スロットおよび構造部のレールを用いたイン・サイトでのLAPPD設置が実現され、全検出器の統合が完了した。