[論文レビュー] Expression of Interest: The Atmospheric Neutrino Neutron Interaction Experiment (ANNIE)

I. M. Anghel, Beacom, J. F.+23 more|arXiv (Cornell University)|Feb 26, 2014

Neutrino Physics Research参考文献 20被引用数 7

ひとこと要約

ANNIEは、大型面積ピコセコンドフォトダイオード（LAPPD）を用いた高精度な時間測定を活用し、ガドリニウムドープ水を用いて大気中性子と反応する中性子生成断面積を測定する専用実験を提案する。この測定により、陽子崩壊探索におけるバックグラウンド抑制のための効率的な中性子タグの実現が可能となり、感度が5倍以上向上する。同時に、将来の水チェレンコフ検出器に向けた画期的なフォトダイオード検出技術の実証も行う。

ABSTRACT

Neutron tagging in Gadolinium-doped water may play a significant role in reducing backgrounds from atmospheric neutrinos in next generation proton-decay searches using megaton-scale Water Cherenkov detectors. Similar techniques might also be useful in the detection of supernova neutrinos. Accurate determination of neutron tagging efficiencies will require a detailed understanding of the number of neutrons produced by neutrino interactions in water as a function of momentum transferred. We propose the Atmospheric Neutrino Neutron Interaction Experiment (ANNIE), designed to measure the neutron yield of atmospheric neutrino interactions in gadolinium-doped water. An innovative aspect of the ANNIE design is the use of precision timing to localize interaction vertices in the small fiducial volume of the detector. We propose to achieve this by using early production of LAPPDs (Large Area Picosecond Photodetectors). This experiment will be a first application of these devices demonstrating their feasibility for Water Cherenkov neutrino detectors.

研究の動機と目的

• 運動量移動の関数として、水中の中性子生成断面積を測定し、陽子崩壊のバックグラウンド推定に不可欠な入力データを提供すること。
• 大型面積ピコセコンドフォトダイオード（LAPPD）を用いた水チェレンコフ検出器における高精度時間測定の実現可能性を示すこと。
• 効率的な中性子タグを可能にすることで、大気中性子のバックグラウンドを抑制し、将来の陽子崩壊探索の感度を向上させること。
• 時間測定に基づくバーテックス再構築技術の妥当性を検証し、低カバレッジ水チェレンコフ検出器におけるイベント局在化とトラッキング性能の向上を実現すること。
• 低コストで高インパクトなR&D実験として、技術的多様性を支援し、米国における水チェレンコフ中性子検出技術の専門知識を維持すること。

提案手法

• ガドリニウムドープ水を用いた高精度に計装されたターゲットを備えたフェルミラブ・ブースター中性子ビームラインでの専用ビームテストを実施する。
• 外部バックグラウンドを抑制するため、前面遮断器（FACC）とミューオンレンジ検出器（MRD）によって定義されたフィducialボリュームを設定する。
• LAPPDの高精度時間測定を活用し、光子の到着時刻と位置を再構築することで、バーテックス局在化とイベントイメージングを実現する。
• 因果的ハフ変換と、空間的および時間的光子ヒットを統合した単一尤度関数を用いて、粒子の軌跡とシャワーを再構築する。
• シミュレーションを基盤に、検出器の幾何配置、フォトダイオードカバレッジ、トリガー系の最適化を実施し、中性子検出効率を最大化する。
• 全中性子データ取得の前段階として、LAPPDの水中沈殿、水充填、放射性核種またはテストビームを用いた運用試験を段階的に実施する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 運動量移動の関数として、ガドリニウムドープ水中の中性子生成断面積はどの程度か？
• RQ2 低フォトダイオードカバレッジの大型水チェレンコフ検出器において、中性子捕獲信号（約30 μs遅れの8 MeVガンマ線）をどの程度効率的に検出できるか？
• RQ3 LAPPDが水チェレンコフ検出器において、1ナノ秒未塔の時間分解能を達成できるか？ その結果、バーテックス再構築とイベント同定の精度が向上するか？
• RQ4 時間測定に基づく再構築技術が、陽子崩壊探索におけるバックグラウンド誤同定をどの程度低減できるか？
• RQ5 中性子タグの検出非効率性が、陽子崩壊候補の同定における信頼性にどのような影響を及えるか？

主な発見

• ANNIE実験は、既知のビーム特性を有する中で、中性子生成断面積を測定することで、過去の現場測定で制限を受けていた流量とエネルギーの不確実性を克服する。
• ガドリニウムドープ水を用いた中性子タグは、陽子崩壊探索における大気中性子バックグラウンドを5倍以上抑制可能であり、感度の著しい向上を実現する。
• LAPPDは100ピコ秒未塔の時間分解能を達成でき、従来のフォトマルチプライヤーチューブと比較してミューオンバーテックス分解能をほぼ3倍向上する。
• LAPPDを用いた時間測定に基づく再構築により、液体アルゴンタイムプロジェクションチェンバーと同等の光学的トラッキングが可能となり、高精度な空間的・時間的忠実度を持つイベントディスプレイが実現する。
• 実験では、水中におけるLAPPDのフル波形デジタイジングおよびDAQシステムの運用安定性を検証し、物理学的環境下での長期運用の可能性を示す。
• ANNIEは、将来の水チェレンコフ検出器のプロトタイプとして機能し、LAPPDベースの光学的トラッキングの実現可能性を実証するとともに、ニュートリノ物理学におけるフォトダイオード検出技術の発展を推進する。