[論文レビュー] Letter of Intent: The Accelerator Neutrino Neutron Interaction Experiment (ANNIE)

I. M. Anghel, J. F. Beacom+31 more|arXiv (Cornell University)|Apr 7, 2015

Astrophysics and Cosmic Phenomena参考文献 17被引用数 20

ひとこと要約

ANNIEは、Fermilabにおける専用実験を提案し、Gdドープ水におけるニュートリノ衝突からの中性子生成率を、Large Area Picosecond Photodetectors (LAPPDs) を用いた高精度時刻測定により測定する。この測定は、大気ニュートリノ背景を効率的に抑制するための中性子タギングを可能にし、水チェレンコフ検出器における陽子崩壊感度を向上させるために不可欠であり、今後のニュートリノ物理学および検出器技術に画期的な影響を及える可能性を秘めている。

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

• 陽子崩壊探索における主要な不確実性要因である運動量移行の関数として、水中ニュートリノ衝突における最終状態の中性子生成率を測定すること。
• 次世代の陽子崩壊実験における大気ニュートリノ背景を低減すること。これらの反応は中性子を生成するが、陽子崩壊反応では生成しない。
• Gdの高い中性子捕獲断面積と遅延して発生する8 MeVガンマ線信号を用いて、中性子タギング技術の妥当性を検証すること。
• 水チェレンコフ検出器における高分解能の頂点再構築を実現するため、Large Area Picosecond Photodetectors (LAPPDs) の実用可能性を示すこと。
• Hyper-Kamiokande や LBNE などの将来のニュートリノ実験の開発を支援するため、中性子多重度および検出効率に関する重要なデータを提供すること。

提案手法

• Fermilabのブースター・ニュートリノビームラインを用いて、エネルギーと方向が明確に定義されたニュートリノフラックスを供給する。
• Gd塩をドープした小型でフィducシャルな水タンクを設置し、中性子捕獲を促進し、検出可能な8 MeVガンマ線連鎖を生成する。
• LAPPDフォトダイオードを用いてピコ秒レベルの時間分解能を達成し、衝突頂点を正確に局在化し、即時的なチェレンコフ光と遅延した中性子捕獲信号を区別する。
• シンチレーション検出器およびRPCベースのミューオンレンジ検出器（MRDs）を併用して、ミューオンおよび他の荷電粒子を特定・再構築する。
• 初期のチェレンコフ光子と遅延した中性子捕獲ガンマ線信号を相関付ける高度な再構築アルゴリズムを適用し、中性子タギングを実現する。
• 詳細なモンテカルロシミュレーションを実施し、中性子生成率と検出器応答をモデル化し、フィducシャルボリュームおよび検出効率を最適化する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 陽子崩壊に関連する運動的領域において、水中ニュートリノ衝突ごとの中性子生成率（運動量移行の関数）は何か、特にその値は？
• RQ2 限られたフォトダイオードカバレッジを持つ水チェレンコフ検出器において、8 MeVの捕獲信号（約30 μsの遅延）をどれほど効率的に検出できるか？
• RQ3 中性子タギングによって、陽子崩壊探索における大気ニュートリノ背景はどの程度低減可能か？
• RQ4 LAPPDフォトダイオードは、水チェレンコフ環境における頂点再構築に必要な時間分解能および位置精度を達成できるか？
• RQ5 中性子が観測されない場合、中性子検出の非効率性が陽子崩壊候補の信頼性にどの程度影響を与えるか？

主な発見

• ANNIEは、陽子崩壊背景推定の不確実性を5倍以上まで低減できる精度で、Gdドープ水中の中性子生成率を測定することを目的としている。
• LAPPDの使用により、1ナノ秒未満の時間分解能が達成され、ニュートリノ衝突頂点の正確な局在化と、即時的チェレンコフ光と遅延した中性子捕獲信号の効率的分離が可能になる。
• Gdドープ水を用いた中性子タギングにより、大気ニュートリノ背景が抑制可能である。これは、これらの反応が通常複数の中性子を生成するが、陽子崩壊反応では生成しないためである。
• 実験はFermilabのSciBooNEホールに設置される予定であり、明確に定義されたビーム環境と既存インfraの利用が可能である。
• 予備のシミュレーションおよび検出器設計から、約10 m³のフィducシャルボリューム、約100個のPMТおよびLAPPDタイルを用いた装置で、物理的目標を達成するのに十分な中性子検出効率が得られると示唆されている。
• 50 kgのGd、63個のSK-PMT、43個のIMB-PMTといった既存資産を活用することで、総費用の削減と導入の加速が可能となる。