[論文レビュー] New Methods and Simulations for Cosmogenic Induced Spallation Removal in Super-Kamiokande-IV

Kamiokande Collaboration, S. Locke+218 more|arXiv (Cornell University)|Nov 30, 2021

Neutrino Physics Research参考文献 4被引用数 6

ひとこと要約

本論文は、スーパーカムイオカンドーIVにおける核生成スパラレーション事象の同定および除去のための新規手法とシミュレーション技術を提示する。残渣電荷および縦方向距離の高度な確率密度関数（PDF）モデリングを用いて、信号とバックグラウンドを区別する。この手法は、イベント特性に多成分指数関数およびガウス分布をフィットさせることでバックグラウンド抑制を向上させ、ニュートリノ振動および希少過程探索における感度を向上させる。

ABSTRACT

Radioactivity induced by cosmic muon spallation is a dominant source of backgrounds for $\mathcal{O}(10)~$MeV neutrino interactions in water Cherenkov detectors. In particular, it is crucial to reduce backgrounds to measure the solar neutrino spectrum and find neutrino interactions from distant supernovae. In this paper we introduce new techniques to locate muon-induced hadronic showers and efficiently reject spallation backgrounds. Applying these techniques to the solar neutrino analysis with an exposure of $2790 imes22.5$~kton.day increases the signal efficiency by $12.6\%$, approximately corresponding to an additional year of detector running. Furthermore, we present the first spallation simulation at SK, where we model hadronic interactions using FLUKA. The agreement between the isotope yields and shower pattern in this simulation and in the data gives confidence in the accuracy of this simulation, and thus opens the door to use it to optimize muon spallation removal in new data with gadolinium-enhanced neutron capture detection.

研究の動機と目的

• スーパーカムイオカンドーIVにおける核生成スパラレーションバックグラウンドを低減すること。これは低エネルギーニュートリノ信号を模倣し、振動および希少過程研究の感度を低下させる要因である。
• イベントトポロジーおよび電荷沈着を用いて、スパラレーション事象と真のニュートリノ相互作用を区別する、堅牢でデータ駆動の手法を開発すること。
• 残渣電荷および縦方向距離の確率密度関数（PDF）を多成分関数でモデリングし、バックグラウンド拒否を向上させること。
• 宇宙線誘発スパラレーションによる誤検出イベントを最小限に抑えることで、長基準距離ニュートリノ振動および陽子崩壊探索におけるより正確な測定を可能にすること。
• 将来のスーパーカムイオカンドーのデータ取得フェーズに適用可能な、体系的でフィットベースのバックグラウンド除去フレームワークを提供すること。

提案手法

• 正のQ_resに対して、残渣電荷PDFを5つの指数関数の和としてモデル化し、データから導出されたフィットパラメータc_iおよびp_iを用いる。
• 解析的関数を仮定しないため、負の残渣電荷に対しては4つの離散的点間の線形補間を用いる。
• スパラレーション事象の非対称分布を捉えるために、縦方向距離Δl_longに三重ガウス混合モデルをフィットする。
• ランダムな一致事象のための区分的PDFを、転送点l_t0²を基準に定義し、l_t² > l_t0²では指数関数的減衰に二次補正を加える。
• 合計21のフィット（7つの残渣電荷ビンと3つの時間範囲の組み合わせ）において、スパラレーションおよびランダム一致事象のそれぞれに対して別々のPDFフィットを実施する。
• 方程式(18)および(19)を用い、スパラレーションPDFを指数関数的関数、ランダム一致PDFを区分的指数関数的関数としてモデル化する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 スーパーカムイオカンドーIVにおいて、核生成スパラレーション事象はどのように真のニュートリノ相互作用と区別できるか？
• RQ2 スパラレーションおよびランダム一致事象の残渣電荷および縦方向距離分布を最もよく記述する関数形は何か？
• RQ3 時間依存性および電荷ビン別PDFを組み込むことで、バックグラウンド抑制はどの程度向上するか？
• RQ4 多成分指数関数およびガウスモデルを用いることで、低エネルギーニュートリノ解析における誤検出率はどの程度低減できるか？
• RQ5 検出器の幾何的制約が存在する中で、信号対バックグラウンド識別を最大化する最適なPDFパラメータ化は何か？

主な発見

• スパラレーション残渣電荷PDFは、表10にリストされたフィットパラメータc_iおよびp_iを用いた5つの指数関数の和として最も適切にモデル化される。
• 負の残渣電荷に対しては、-100から-7.5 kpeの範囲で10⁻⁶から0.34053の間を変動する4つの離散的点間の線形補間によりPDFが再構築される。
• スパラレーション事象の縦方向距離Δl_longは、振幅が989.8、1185、254.6で、幅が0.9217、1.852、13.49 mの三重ガウス混合で良好に記述される。
• ランダム一致事象は、l_t0²で遷移する区分的PDFでモデル化され、l_t² > l_t0²では指数関数的減衰に二次補正を加える。
• スパラレーションおよびランダムPDFのフィットパラメータは、表9、10、12に示されており、21の異なるフィット領域における正確なバックグラウンドモデリングを可能にする。
• 本手法は、スパラレーションおよびランダム事象の非一様的かつ非ガウス的分布を、残渣電荷および縦方向距離において正確にモデリングすることで、バックグラウンド抑制を向上させる。