[論文レビュー] Measurement of the longitudinal diffusion of ionization electrons in the MicroBooNE detector

Collaboration, The MicroBooNE, P. Abratenko+181 more|arXiv (Cornell University)|Apr 15, 2021

Dark Matter and Cosmic Phenomena参考文献 23被引用数 20

ひとこと要約

本論文は、85トンの大型液体アルゴン時間投影連合器（LArTPC）であるMicroBooNEで、ニュートリノビーム条件下、273.9 V/cmの電界下で、最初の縦方向電子拡散係数 $D_L = 3.74^{+0.28}_{-0.29}$ cm²/s の測定を報告する。約70,000件の宇宙線ミューオンの軌跡を用いて、波形解析とドリフト時間依存のパルス幅拡張を用い、$D_L$ を抽出した。シミュレーションを用いた検証と、検出器応答およびドリフト速度に起因する系統的不確実性を評価した。

ABSTRACT

Abstract: Accurate knowledge of electron transport properties is vital to understanding the information provided by liquid argon time projection chambers (LArTPCs). Ionization electron drift-lifetime, local electric field distortions caused by positive ion accumulation, and electron diffusion can all significantly impact the measured signal waveforms. This paper presents a measurement of the effective longitudinal electron diffusion coefficient, DL, in MicroBooNE at the nominal electric field strength of 273.9 V/cm. Historically, this measurement has been made in LArTPC prototype detectors. This represents the first measurement in a large-scale (85 tonne active volume) LArTPC operating in a neutrino beam. This is the largest dataset ever used for this measurement. Using a sample of ∼70,000 through-going cosmic ray muon tracks tagged with MicroBooNE's cosmic ray tagger system, we measure DL = 3.74+0.28 -0.29 cm2/s.

研究の動機と目的

• 実際のニュートリノビーム条件下で、大型液体アルゴン時間投影連合器（LArTPC）における有効な縦方向電子拡散係数 $D_L$ を測定すること。
• シミュレーテッドデータを用いた測定手法の妥当性を検証し、検出器応答、ドリフト速度、波形合成に起因する系統的不確実性を評価すること。
• 既存の $D_L$ 測定値と理論モデルとの乖離を解消するために、完全に稼働中のLArTPCで高統計的精度の測定を提供すること。

提案手法

• MicroBooNEの宇宙線タッカー系を用いて、クリアで長距離ドリフトの可能な軌跡約70,000件を抽出し、清浄な長距離ドリフト軌跡を特定する。
• Y面ワイヤー読み出しから信号波形を抽出し、検出器応答の影響を除去するためにデコンボリューションを実行した。
• パルス形状の分散をドリフト時間の関数として、$\sigma^2(t) = \sigma_0^2 + 2D_L t$ の関係にフィットさせ、縦方向拡散係数 $D_L$ を抽出した。
• 分析パイプラインの感度と一貫性を確認するため、シミュレーテッドデータセット上でパイプラインを検証した。
• 検出器応答関数、ドリフト速度、横方向拡散、波形合成手法を変化させることで、系統的不確実性を評価した。
• 相関のない系統的不確実性を平方和の平方根で合成し、最終的な $D_L$ の不確実性を決定した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ニュートリノビーム条件下で稼働する大型LArTPCにおける縦方向電子拡散係数 $D_L$ の値は何か？
• RQ2 検出器応答およびドリフト速度に起因する系統的不確実性は、$D_L$ 測定にどのように影響するか？
• RQ3 測定された $D_L$ は理論モデル（Atrazhev-Timoshkin）および先行実験データ（Li et al., ICARUS）とどのように比較されるか？
• RQ4 ドリフト中の電子間のクーロン反発は、$D_L$ 測定における顕著な系統的誤差要因となるか？
• RQ5 単一波形イベントにおいて、電子拡散を用いて反応時刻 $t_0$ を再構築できるか？

主な発見

• MicroBooNEで測定された縦方向電子拡散係数は、273.9 V/cmの電界下で $D_L = 3.74^{+0.28}_{-0.29}$ cm²/s であった。
• この測定値は、Atrazhev-Timoshkin理論予測およびICARUS実験と整合しており、Li et al.のパラメータ化とは対照的に低い値であった。
• 系統的不確実性は、検出器応答関数（6.5%）とドリフト速度（±3.9%/−4.1%）が支配的であり、他の要因は二次的であった。
• パルス幅の $\sqrt{t}$ 依存性に顕著な非線形性は観測されず、ドリフト中の電子間のクーロン反発の寄与は無視できる程度であった。
• 本測定は、ニュートリノビームで稼働する85トン級の大規模LArTPCで初めての測定であり、この物理量についてこれまでで最大のデータセットを用いた。
• 以前の測定と比較して $D_L$ の不確実性が低減され、今後のLArTPC物理学解析におけるモデル改善を支援する結果であった。