[論文レビュー] HARP: a hadron production experiment

Emilio Radicioni|ArXiv.org|Jun 12, 2002

Neutrino Physics Research参考文献 4被引用数 6

ひとこと要約

HARPは、2–15 GeV/cのビームモーメンタムと複数の標的材料（液体窒素や特殊標的を含む）で、ハドロン生成断面積を高精度で測定するCERNの実験である。TPC、RPC、ゼネルコフ検出器を備えたフルアクセプタンス型分光計を用い、全体で約2%の精度を達成することで、モンテカルロモデルのキャリブレーションと大気中ニュートリノおよび加速器ニュートリノビームの予測の改善を実現する。

ABSTRACT

Hadron production is a key ingredient in many aspects of neutrino physics. Precise prediction of atmospheric neutrino fluxes, characterization of accelerator neutrino beams, quantification of pion production and capture for neutrino factory designs, all of these would profit of high-statistics, high-precision hadron production measurements. In addition, such data is needed for the calibration of Monte-Carlo hadron production models. The HARP experiment at CERN is performing extensive measurements of cross sections and secondary particle yields to address these problems.

研究の動機と目的

• ニュートリノ物理学への応用を想定し、広いエネルギー範囲（2–15 GeV/c）でハドロン生成断面積を高精度で測定すること。
• ニュートリノ実験で用いられるモンテカルロハドロン生成モデルのキャリブレーションデータを提供すること。
• 特にK2KおよびMiniBooNE用のニュートリノ工場や加速器ビーム設計を念頭に、液体窒素（H₂、D₂、N₂、O₂）および特殊標的を含む多様な標的材料におけるパイオン生成とその生成量を調査すること。
• 検出器効率を1%以内に制御することで、冗長なアクセプタンス領域と高レートデータ収集を用いて全体で2%の精度を達成すること。
• 生産および収集効率の定量的評価を通じて、ニュートリノファクトリーおよび加速器ベースのニュートリノビームの設計と最適化を支援すること。

提案手法

• 実験はCERNのPS T9ビームラインを用い、2–15 GeV/cのプロトンビームを薄い、厚い、液体窒素標的へと照射する。
• 入射粒子（プロトン、パイオン、カイオンなど）の特定には、しきい値ゼネルコフ検出器および時間飛行（TOF）検出器を用いる。
• 3972個のパッドを有するタイムプロジェクションチャンバー（TPC）と0.7Tのソレノイド磁場を用い、粒子の軌跡およびdE/dxを測定して粒子識別を行う。
• 150 psの時間分解能を有する抵抗性板チャンバー（RPC）を用い、正確な時間飛行測定と電子・パイオン分離（100–250 MeV/c）を実現する。
• 前方検出器には、ドリフトチェンバー（0.68Tのダイポール磁場）、C4F10ゼネルコフ検出器（しきい値が2.6、9.3、17.6 GeV/c）および39個のシンチレーションカウンターからなるTOFウェルが含まれる。
• 終端部には、鉛/シンチレーションファイバー・カルォリメータを設置し、電子を同定する。この設計はCHORUS実験の刷新版である。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 2–15 GeV/cのビームモーメンタムで、C、Al、Cu、Sn、Ta、Pb、H₂、D₂、N₂、O₂などの多様な標的材料にプロトンが入射した際のハドロン生成断面積はどのように変化するか？
• RQ2 パイオン生成の生成量は、ビームエネルギーおよび標的材料にどのように依存するか。特にニュートリノファクトリーおよび加速器ビーム設計の観点から検討する。
• RQ3 ハドロン相互作用モデルの不確実性を低減することで、HARPデータが大気中ニュートリノフラックス予測の精度をどの程度向上できるか？
• RQ4 モンテカルロハドロン生成モデルは、測定された粒子生成量および運動量分布をどの程度正確に再現できるか。また、HARPデータを用いてモデルをキャリブレーションできるか？
• RQ5 TPC、RPC、ゼネルコフ、TOF、カルォリメータを含むフルアクセプタンス分光計の性能は、ハドロン生成測定において2%の精度を達成するためにどの程度有効であったか？

主な発見

• 冬期の停止後、2002年5月にデータ収集を再開。検出器の完全なコンmissioningと、ビーム組成、不純物、検出器キャリブレーションに焦点を当てた初期のデータ解析が実施された。
• 初期の運動量分布が作成され、CERN-SPSCに提示された。これによりTPCおよびトラッキング再構成の正常稼働が確認された。
• RPCの時間分解能は約150 psに達し、高レート条件下でも効果的な粒子識別と重ね合わせ（pile-up）の拒否が可能となった。
• 前方分光計（ドリフトチェンバーおよびTOFウェル）の初期解析では、時間飛行分解能が約200 psであった。
• C4F10ゼネルコフ検出器は、2.6 GeV/c（パイオン）、9.3 GeV/c（カイオン）、17.6 GeV/c（プロトン）のしきい値を有し、高エネルギー粒子の分離を可能にした。
• 2002年5月以降に最初の公表結果が予想された。全データ収集は2002年9月まで計画された。