[論文レビュー] EMPHATIC: A proposed experiment to measure hadron scattering and productioncross sections for improved neutrino flux predictions

T. Akaishi, L. Aliaga-Soplin+48 more|arXiv (Cornell University)|Dec 18, 2019

Astrophysics and Cosmic Phenomena参考文献 4被引用数 11

ひとこと要約

EMPHATIC共同研究グループは、フェルミラブの固定標的にて、低〜中程度のビーム運動量（4–120 GeV/c）におけるハドロン散乱および生成断面積を測定するコンactで高効率な実験を提案している。精密なトラッキング、チェレンコフ粒子識別、飛行時間系を用い、ニュートリノ線束予測の不確実性を半分に低減することを目的としており、T2K、NOvA、Hyper-K、DUNEなどの長基準長ニュートリノ実験の系統的精度を直接向上させる。

ABSTRACT

Hadron scattering and production uncertainties are a limiting systematic on accelerator and at-mospheric neutrino flux predictions. New hadron measurements are necessary for neutrino fluxpredictions with well-understood and reduced uncertainties. We propose a new compact experimentto measure hadron scattering and production cross sections at beam energies that are inaccessibleto currently operating experiments. These measurements can reduce the current 10% neutrino fluxuncertainties by an approximate factor of two.

研究の動機と目的

• 加速器ニュートリノ線束予測の系統的不確実性を改善すること。現在、ハドロン散乱および生成断面積の不確実性が制限要因となっている。
• 31 GeV/c未満のビーム運動量におけるデータの空白を埋めること。既存の実験ではカバーできない領域である。
• 炭素、アルミニュウム、鉄、その他のニュートリノ線束生成に重要な標的に対するハドロン相互作用の高統計・高精度データを収集すること。
• 現在および将来の長基準長ニュートリノ振動実験におけるニュートリノ線束モデルの不確実性を低減すること。
• 良好にキャリブレーションされたハドロン相互作用データを提供することで、広範な高エネルギー物理学およびニュートリノ物理学コミュニティを支援すること。

提案手法

• フェルミラブ固定標的ビーム施設（FTBF）を活用し、炭素（C）、アルミニュウム（Al）、鉄（Fe）、ベリリウム（Be）、ボロン（B）、窒化ホウ素（BN）、酸化ホウ素（B2O3）、水（H2O）、カルシウム（Ca）、水銀（Hg）、チタン（Ti）などのさまざまな核標的を、4〜120 GeV/cの運動量を持つ陽子およびパイオンビームで照射する。
• 二次粒子の精密なトラッキングと運動量測定を実現するため、シリコンストリップ検出器を備えたコンパクトなスぺクトラメータを採用する。
• 最終段階では、ビームおよび下流のチェレンコフ検出器と飛行時間系を統合し、15 GeV/cまでの粒子識別を実現する。
• 段階的走行計画を採用する：第1期（2020年）では借用した小スルーレイの磁石と部分的トラッキングを実施。第2期（2021年）では全スルーレイ磁石と大型シリコンストリップを導入。第3期（2022年）では拡張型RICHを用いて、より高い粒子識別運動量範囲を実現。
• データ収集効率を最大化するため、単純な高レートトリガーを採用。1つの設定で数時間で約10万件の相互作用を収集可能。
• 既存の検出器技術と実証済みの設計を活用することで、研究開発コストを低減し、実験リスクを最小限に抑える。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 4〜120 GeV/cのビーム運動量における、軽いおよび中程度の質量の標的に対する陽子およびパイオンのハドロン生成および散乱断面積は何か？
• RQ2 現在のハドロン相互作用モデルの不確実性が、長基準長実験におけるニュートリノ線束予測精度をどの程度制限しているか？
• RQ3 現在の実験では到達できない低エネルギービーム領域での新規測定が、全体のニュートリノ線束不確実性をどの程度低減できるか？
• RQ4 既存の検出器技術を用いたコンパクトで高レートの実験が、ハドロン断面積測定において1％レベルの精度を達成できるか？
• RQ5 測定された断面積は、重複するビームエネルギー領域における既存のモデルおよびデータとどの程度一致するか？

主な発見

• 実験により、ニュートリノ線束予測の不確実性が約2倍に低減され、現在の約10％から約5％にまで低下すると予想される。
• 2018年のプロトタイプ測定では、数日間のビーム時間で、僅かに高い精度で弾性散乱断面積を測定可能であることが実証された。
• 第1期（2020年）では、70種類のビーム種別、ビーム運動量、標的の組み合わせについてデータを収集し、散乱および低スルーレイ生成に焦点を当てる。
• 第2期では、改善されたトラッキングと粒子識別（8 GeV/cまで）を用いて、全スルーレイ測定を拡張する。
• 第3期では、下流のRICH系に高屈折率のガスを用いることで、粒子識別を15 GeV/cまで拡張する。
• 熟練した検出器技術、コンパクトな設計、および単純なトリガーによる高効率なデータ収集のおかげで、実験は低リスクである。