[論文レビュー] LArIAT: Liquid Argon In A Testbeam

J. Paley, Daniel Gastler+65 more|arXiv (Cornell University)|Jun 21, 2014

Neutrino Physics Research参考文献 15被引用数 24

ひとこと要約

LArIATは、米国フェルミラブで液体アルゴン時間飛行型シンチレーション検出器（LArTPC）のキャリブレーションおよび特性評価を目的とした専用のテストビーム計画を提案している。0.2–2.0 GeVの既知の粒子ビームを用いて、ニュートリノ物理学の測定精度を向上させる。Phase-1では、ArgoNeuTの冷却タンクを再利用し、電子回路および光読み出し系をアップグレードすることで、粒子識別、エネルギー損失、ケロリメトリーに関する高精度な研究が可能となる。これは、MicroBooNE、SBN計画、および将来の長基準距離実験（LBNE）にとって不可欠である。

ABSTRACT

Liquid Argon Time Projection Chambers (LArTPCs) are ideal detectors for precision neutrino physics. These detectors, when located deep underground, can also be used for measurements of proton decay, and astrophysical neutrinos. The technology must be completely developed, up to very large mass scales, and fully mastered to construct and operate these detectors for this physics program. As part of an integrated plan of developing these detectors, accurate measurements in LArTPC of known particle species in the relevant energy ranges are now deemed as necessary. The LArIAT program aims to directly achieve these goals by deploying LArTPC detectors in a dedicated calibration test beam line at Fermilab. The set of measurements envisaged here are significant for both the short-baseline (SBN) and long-baseline (LBN) neutrino oscillation programs in the US, starting with MicroBooNE in the near term and with the adjoint near and far liquid argon detectors in the Booster beam line at Fermilab envisioned in the mid-term, and moving towards deep underground physics such as with the long-baseline neutrino facility (LBNF) in the longer term.

研究の動機と目的

• 米国における短基準距離および長基準距離ニュートリノ振動計画のためのLArTPC検出器の高精度キャリブレーションを提供すること。
• 0.2–2.0 GeVのエネルギー範囲における主要粒子（e±, μ±, π±, K±, p, p̄）の粒子識別およびエネルギー応答を測定すること。
• 既知の粒子ビームからの実際のデータを用いて、シミュレーションツールおよび再構築ソフトウェアの妥当性を検証すること。
• イオン化、シンチレーション、トポロジカル手法を含む複数のケロリメトリー法を発展・検証し、エネルギー分解能の向上を図ること。
• 将来の実験（LBNEやプロトン崩壊探索を含む）における大規模LArTPCの導入に備えること。

提案手法

• 550 LのArgoNeuT冷却タンクおよびその170 Lの有効体積LArTPCを、Phase-1のテストに再利用すること。
• MicroBooNE設計に基づく低ノイズの低温電子回路を導入し、信号読み出しの性能を向上させること。
• 冷却タンク内に設置されたフォトセンサを用いた高効率なシンチレーション光読み出しシステムを統合すること。
• フェルミラブのテストビーム施設のビームラインを活用し、低運動量（0.2–2.0 GeV）で種別とエネルギーが既知の粒子を供給すること。
• 商用部品を基盤とする柔軟性があり高レートなDAQおよびトリガー系を導入し、高速デジタイゼーションを実現すること。
• ビーム粒子の特性を正確に測定するために、ワイヤーチェンバー、TOFカウンター、チェレンコフカウンター、シンチレーター・アレイなどのビーム特性測定検出器を用いること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 LArTPCは、0.2–2.0 GeVのエネルギー範囲において、電子、ミュオン、パイオン、カイオン、プロトンをどれほど正確に識別できるか？
• RQ2 異なる粒子種別およびエネルギーにおけるイオン化信号およびシンチレーション信号の分解能と応答特性はいかほどか？
• RQ3 LArTPCは、電磁シャワーの再構築がどの程度正確に可能か。特に電子と光子の区別は可能か？
• RQ4 磁場を用いずに、エンドポイント捕獲または崩壊トポロジーを用いてミュオンの電荷を特定できるか？
• RQ5 与えられたサイズの検出器内で、ハドロンエネルギーの何パーセントが包含されるか。これはケロリメトリックキャリブレーションにどのように影響するか？

主な発見

• ビームからの距離が3 m以上で、横方向寸法が1 m以上である検出器は、平均してチャージドパイオンの90%のエネルギーを含む。
• 少なくとも20%のパイオンが、横方向1 m、縦方向3 mの体積内に95%のエネルギーを含む。
• ArgoNeuTの冷却タンクとアップグレードされた電子回路を再利用したLArIAT Phase-1検出器により、粒子識別およびエネルギー損失の高精度測定が可能となる。
• イオン化、シンチレーション、トポロジカル情報の組み合わせにより、LArTPCにおける最適なエネルギー再構築が実現可能となる。
• テストビーム環境により、モンテカルロ予測に依存せず、シミュレーションツールおよび再構築ソフトウェアの直接的検証が可能となる。
• Phase-2では、大規模LArTPC構成への拡張が予定されており、完全なケロリメトリックキャリブレーションおよび宇宙線背景の研究が可能となる。