[論文レビュー] Measurement of the Spectral Function of $^{40}$Ar through the $(e,e^\prime p)$ reaction

Artur M. Ankowski, R. Beminiwattha+29 more|arXiv (Cornell University)|Jun 16, 2014

Particle physics theoretical and experimental studies被引用数 7

ひとこと要約

本論文は、LBNEのようなニュートリノ振動実験の鍵となる核である $^{40}$Ar のスペクトル関数を測定するため、ジェファーソンラボで (e,e′p) 共鳴実験を提案している。電子散乱を用いてアルゴン内の核子の運動量およびエネルギー分布を調べることで、ニュートリノ-核断面積モデルの改善に不可欠な情報を得ることを目的としている。これにより、振動パラメータ測定における系統的不確かさを低減する。

ABSTRACT

The interpretation of the signals detected by high precision experiments aimed at measuring neutrino oscillations requires an accurate description of the neutrino-nucleus cross sections. One of the key element of the analysis is the treatment of nuclear effects, which is one of the main sources of systematics for accelerator based experiments such as the Long Baseline Neutrino Experiment (LBNE). A considerable effort is currently being made to develop theoretical models capable of providing a fully quantitative description of the neutrino-nucleus cross sections in the kinematical regime relevant to LBNE. The approach based on nuclear many-body theory and the spectral function formalism has proved very successful in explaining the available electron scattering data in a variety of kinematical conditions. The first step towards its application to the analysis of neutrino data is the derivation of the spectral functions of nuclei employed in neutrino detectors, in particular argon. We propose a measurement of the coincidence $(e,e^\prime p)$ cross section on argon. This data will provide the experimental input indispensable to construct the argon spectral function, thus paving the way for a reliable estimate of the neutrino cross sections. In addition, the analysis of the $(e,e^\prime p)$ data will help a number of theoretical developments, like the description of final-state interactions needed to isolate the initial-state contributions to the observed single-particle peaks, that is also needed for the interpretation of the signal detected in neutrino experiments.

研究の動機と目的

• 排他的 (e,e′p) 共鳴散乱を用いて $^{40}$Ar のスペクトル関数を測定し、ニュートリノ-核反応モデルに不可欠な入力を提供すること。
• 核効果が主な誤差要因である長基準距離ニュートリノ実験（例：LBNE）における系統的不確かさを低減すること。
• 核内の最終状態相互作用および初期状態運動量分布の理論モデルの検証と精錬を行うこと。
• 最終状態相互作用（FSI）が小さい状態で高統計データを取得し、スレート関数の寄与を正確に分離可能にする。
• 炭素標的に基準として用い、ダミー標的に基準として用いることで、欠落質量およびランプシティ測定の精度を保証する実験装置のキャリブレーションと検証を行うこと。

提案手法

• ジェファーソンラボの電子ビームを用い、2.2 GeVのビームエネルギーで $^{40}$Ar 気体標的に対して排他的 (e,e′p) 共鳴測定を実施する。
• 並進および反並進の運動学的状況を用いて、広い運動量およびエネルギー移動範囲をカバーし、スレート関数の広範囲の測定を可能にする。
• ベースラインとして平面波インパルス近似（PWIA）を用い、その後理論モデルを用いて最終状態相互作用（FSI）の補正を施す。
• 信号対背景比の推定とデータ取得最適化のため、単独および共鳴率の測定を実施する。
• ビーム指向のキャリブレーション、ランプシティモニタリング、絶対的欠落質量キャリブレーションのため、炭素およびアルミニウム標的を用いる。
• 統計的および系統的不確かさに対して3%の補正を適用し、弾性散乱断面積測定による妥当性を検証する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 $^{40}$Arにおける核子の運動量およびエネルギー分布は、そのスレート関数にどのように符号化されているか？
• RQ2 最終状態相互作用が観測された (e,e′p) 断面積にどのような歪みを及ぼし、それがデータから信頼性を持って抽出可能か？
• RQ3 測定されたスレート関数は、液体アルゴン検出器における準弾性ニュートリノ-核断面積の記述をどの程度改善するか？
• RQ4 短距離相関に起因する2核子放出過程を制約するために、電子散乱から導かれるスレート関数をどのように利用できるか？
• RQ5 既存のスレート関数理論モデルは、LBNEに関連する運動学的領域における測定された (e,e′p) 断面積をどの程度正確に再現できるか？

主な発見

• 2.2 GeVのビームエネルギーで9日間のビーム時間が必要であり、そのうち1日はキャリブレーション、8日間は並進および反並進運動学的状況でのデータ収集に充てられる。
• 予想される共鳴率は1秒あたり約250～約25,000イベントであり、単独率は最大で約25,000 Hzに達する。これは高い統計的パワーを示している。
• ランプシティは $5.45 \times 10^{36}$ 原子 cm⁻² sec⁻¹ と推定され、スレート関数抽出に十分な統計的パワーを確保する。
• 統計的および系統的不確かさはそれぞれ3%と推定され、四乗和の合成により合計不確かさは約4.2%に達する。
• 本測定は、最終状態相互作用が小さい状態におけるアルゴンの (e,e′p) データで唯一の高統計的サンプルを提供し、初期状態スレート関数への直接的なアクセスを可能にする。
• 結果は、液体アルゴン検出器におけるニュートリノ反応のシミュレーションを改善し、LBNEおよび類似実験における振動パラメータ決定の系統的誤差を直接低減可能にする。