[論文レビュー] Low-Energy Physics in Neutrino LArTPCs

D. Caratelli, W. Foreman+287 more|arXiv (Cornell University)|Mar 1, 2022

Neutrino Physics Research被引用数 4

ひとこと要約

このホワイトペーパーは、液体アルゴンタイムプロジェクションチェンバー（LArTPC）検出器における低エネルギー（100 MeV未満）のシグナルの検出と再構築の科学的潜在可能性と技術的課題を概説する。ニュートリノ振動や標準模型を越える（BSM）探索における新物理を解き放つために、より高い低エネルギー感度を実現するため、改善されたキャリブレーション、バックグラウンド制御、新規検出器技術、および特化したデータ取得・再構築戦略の導入を提唱する。

ABSTRACT

In this white paper, we outline some of the scientific opportunities and challenges related to detection and reconstruction of low-energy (less than 100 MeV) signatures in liquid argon time-projection chamber (LArTPC) detectors. Key takeaways are summarized as follows. 1) LArTPCs have unique sensitivity to a range of physics and astrophysics signatures via detection of event features at and below the few tens of MeV range. 2) Low-energy signatures are an integral part of GeV-scale accelerator neutrino interaction final states, and their reconstruction can enhance the oscillation physics sensitivities of LArTPC experiments. 3) BSM signals from accelerator and natural sources also generate diverse signatures in the low-energy range, and reconstruction of these signatures can increase the breadth of BSM scenarios accessible in LArTPC-based searches. 4) Neutrino interaction cross sections and other nuclear physics processes in argon relevant to sub-hundred-MeV LArTPC signatures are poorly understood. Improved theory and experimental measurements are needed. Pion decay-at-rest sources and charged particle and neutron test beams are ideal facilities for experimentally improving this understanding. 5) There are specific calibration needs in the low-energy range, as well as specific needs for control and understanding of radiological and cosmogenic backgrounds. 6) Novel ideas for future LArTPC technology that enhance low-energy capabilities should be explored. These include novel charge enhancement and readout systems, enhanced photon detection, low radioactivity argon, and xenon doping. 7) Low-energy signatures, whether steady-state or part of a supernova burst or larger GeV-scale event topology, have specific triggering, DAQ and reconstruction requirements that must be addressed outside the scope of conventional GeV-scale data collection and analysis pathways.

研究の動機と目的

• 100 MeV未塔のLArTPC検出器における低エネルギー物理学の機会を特定・優先順位付けすること。
• 100 MeV未塔のニュートリノ相互作用断面積およびアルゴン中の核物理学に関する理解の不足を解消すること。
• 低エネルギーのシグナルに特化したキャリブレーションおよびバックグラウンド制御要件を定義すること。
• 低エネルギー感度を向上させるために、電荷増幅、光検出、低放射性アルゴン、キセノンドーピングなどの新規検出器技術を提案すること。
• 低エネルギーイベントのトポロジーに特化した、専用のデータ取得、トリガリング、再構築フレームワークを確立すること。

提案手法

• GeVスケールのニュートリノ相互作用における低エネルギーのシグナルを体系的にレビューし、100 MeV未塔の最終状態粒子に焦点を当てる。
• 低エネルギー断面積を測定するための主要な実験施設（パイオンドリー・アターレスト源、荷電粒子ビーム、中性子ビーム）を特定する。
• 低エネルギー信号検出を向上させるために、強化された電荷読み出しシステムおよび光検出を含む新規LArTPC技術を提案する。
• 低エネルギーのエネルギー堆積およびイオン化信号に特化した専用のキャリブレーション戦略を開発する。
• 従来のGeVスケールの解析とは異なる低エネルギーイベントのトポロジーを処理できる、特化したデータ取得および再構築パイプラインを設計する。
• 低エネルギー信号の純度を保証するため、放射線的および宇宙線由来のバックグラウンドモデリングを統合する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 現在および将来のニュートリノ実験が、LArTPCで検出可能な低エネルギーのシグナルは何か。それらはどのようにオシレーショング物理の感度を向上させるか？
• RQ2 100 MeV未塔の低エネルギーニュートリノ相互作用およびアルゴン中の核過程は、どのように実験的および理論的によりよく理解できるか？
• RQ3 LArTPCで低エネルギーイベントを信頼性高く検出・再構築するには、どのようなキャリブレーション技術とバックグラウンド制御が必要か？
• RQ4 どの新規検出器技術が、LArTPCにおける低エネルギー感度を顕著に向上させられるか？
• RQ5 データ取得および再構築システムは、どのようにして低エネルギーイベントのトポロジーを効率的に捉え分析できるように改造できるか？

主な発見

• LArTPCは、ニュートリノ相互作用における100 MeV未塔の最終状態に特有の感度を有しており、これによりオシレーショング物理の感度が向上する。
• 低エネルギーのシグナルは、GeVスケールのニュートリノ相互作用の重要な構成要素であり、完全なイベント再構築と物理的到達範囲の実現に不可欠である。
• 100 MeV未塔のニュートリノ断面積およびアルゴン中の核過程に関する現在の理論的・実験的理解は不十分であり、新たな測定が不可欠である。
• パイオンドリー・アターレスト源および荷電粒子ビーム・中性子ビームは、低エネルギー断面積測定を改善するための理想的な施設として特定された。
• 電荷増幅、光検出、低放射性アルゴン、キセノンドーピングといった新技術が、低エネルギー検出能力を顕著に向上させると提唱された。
• 従来のGeVスケールのパイプラインでは100 MeV未塔の物理学に不十分であるため、低エネルギーイベントのための専用のトリガリング、DAQ、再構築システムの導入が不可欠である。