[論文レビュー] Proposal for SPS beam time for the baby MIND and TASD neutrino detector prototypes

R. Asfandiyarov, R. Bayes+23 more|arXiv (Cornell University)|May 23, 2014

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 4被引用数 8

ひとこと要約

本論文では、CERNのSPS H8ビームラインにおけるテストビーム時間の提案を述べている。対象は、マグネチックフィールド下でのミューオンおよびパイオンド プロトタイプの性能評価を目的とした、ベビーMIND（磁化鉄ニュートリノ検出器）とTASD（完全にアクティブなシンチレーション検出器）である。これらのプロトタイプは、シリコンフォトマルチプライヤー（SiPMs）で読み出されるプラスチックシンチレーター棒を用い、将来の長基準距離ニュートリノ実験におけるミューオン・パイオン識別、電荷分離、エネルギー分解能の最適化を目的としている。

ABSTRACT

The design, construction and testing of neutrino detector prototypes at CERN are ongoing activities. This document reports on the design of solid state baby MIND and TASD detector prototypes and outlines requirements for a test beam at CERN to test these, tentatively planned on the H8 beamline in the North Area, which is equipped with a large aperture magnet. The current proposal is submitted to be considered in light of the recently approved projects related to neutrino activities with the SPS in the North Area in the medium term 2015-2020.

研究の動機と目的

• 固体状態のプラスチックシンチレーターを用いたプロトタイプ（TASDおよびベビーMIND）の、現実的なビームおよび磁場条件下での性能を検証すること。
• 将来の長基準距離ニュートリノ実験（LBNO、Hyper-Kamiokande、ニュートリノファクトリーなど）に向けた検出器設計の最適化。
• CP対称性の破れやニュートリノ質量階層の検出に不可欠な、磁場下におけるミューオンおよびパイオンの電荷識別効率と運動量分解能の向上。
• テストビームからの実験データを用いて、デジタイゼーションおよびヒット再構築プロセスのための再構築アルゴリズムのキャリブレーションと検証。
• SiPMおよびWLSファイバーを用いた細分化と最適化された読み出しにより、チャンネル単位コストを削減しながらも高い性能を維持すること。

提案手法

• ベビーMINDプロトタイプは、51枚の鉄板（3.0 cm 厚さ）に、8,736本のプラスチックシンチレーター棒（90 cm 長さ、1.0×0.725 cm² 横断断面）を配置し、WLSファイバーとSiPMで読み出し、ミューオンのトラッキングおよび電荷識別を実施する。
• TASDプロトタイプは、同一のシンチレーター・モジュール（52モジュール、1モジュールあたり168本）を用い、合計8,736本のバーを有し、荷電粒子のエネルギーおよび位置測定に高い分解能を実現する。
• 両検出器はCERNのノース・アレイのH8ビームラインに設置予定であり、TASDはモルプルゴ磁場内、ベビーMINDは2つの位置のいずれかに設置される。
• 読み出しシステムには、複数の読み出しモードおよびデータストリーム構成をサポートするEASIROCチップを用い、ダイナミックレンジおよびノイズ性能の最適化を図る。
• ビームテスト中の安定稼働を確保するため、検出器状態を監視するスローモニタリングシステムを実装する。
• ミューオンおよびパイオンの再構築効率を予測するためのシミュレーションが実施され、誤った符号のミューオンイベントに対する背景排除率10⁴が目標である。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 磁場下におけるベビーMINDプロトタイプのミューオン電荷識別効率はどの程度達成可能か。また、ニュートリノファクトリーのゴールデンチャネルにおいて、10⁴の背景排除要件を満たすか。
• RQ2 磁場下において、TASDプロトタイプは電子とミューオンの電荷分離をどの程度正確に再現できるか。特に電子ニュートリノ反応において。
• RQ3 ビーム条件下におけるシンチレーター素子のエネルギー分解能および位置分解能はどの程度か。また、シミュレーション予測との比較は。
• RQ4 磁場下に於いて、デジタイゼーションおよびヒット再構築プロセスが運動量分解能および粒子識別に与える影響は。
• RQ5 シンチレーター、SiPM、コネクタ、読み出し電子回路を含む共通の検出器モジュールが、TASDとベビーMIND間で効果的に再利用可能か。

主な発見

• ベビーMINDプロトタイプは、合計54トンの鉄質量と8,736本のシンチレーター棒を有し、高精度なミューオン運動量および電荷測定を可能にする。
• TASDプロトタイプは、類似した構成からのキャリブレーションデータに基づき、電子に対して約21.42%/√E（GeV）、陽子に対して56.6%/√E、パイオンに対して56.1%/√Eのエネルギー分解能を達成すると予想される。
• ミューオン再構築効率のシミュレーションでは、0.5–5 GeV/cの運動量範囲で高い性能が得られ、ニュートリノ振動シグネチャーの検出に不可欠である。
• パイオン再構築効率のシミュレーションでは、荷電反応と中性反応を区別する上で不可欠な、ハドロンシャワー再構築の強力な潜在能力が示された。
• SiPMおよびWLSファイバーの使用により、高いダイナミックレンジと低ノイズ読み出しが実現され、1検出器あたりのファイバー総長は12,000 mに達する。
• H8ビームラインでの提案レイアウトにより、TASDとベビーMINDの順次テストが可能であり、シンチレーター・モジュールの再利用が可能で、全体のコスト削減が見込まれる。