[論文レビュー] SciBath: A Novel Tracking Detector for Measuring Neutral Particles Underground

R.J. Cooper, L. Garrison+4 more|arXiv (Cornell University)|Oct 20, 2011

Neutrino Physics Research参考文献 6被引用数 3

ひとこと要約

SciBath-768 は、液体シンチレーターに埋め込まれた 768 原子の波長シフト繊維を用いた 3D トラック検出器のプロトタイプであり、ニュートリノおよび中性子イベントの高精度な再構築を実現する。1–10 MeV の中性子に対して 30% の検出効率および 30% のエネルギー分解能を達成し、ニュートリノおよびダークマター実験における中性粒子の地下測定の実現可能性を示している。

ABSTRACT

The SciBath-768 detector is a prototype neutral particle detector offering high-precision reconstruction of neutrino and neutron events. It consists of a three dimensional grid of 768 wavelength-shifting fibers immersed in 82 liters of liquid scintillator. Initially conceived as a charged particle detector for neutrino studies, it is also sensitive to fast neutrons (1-100 MeV). Simulation results show 30% efficiency and 30% energy resolution for 1-10 MeV tagged neutron events. The apparatus has been commissioned and will be deployed in Fall 2011 to measure neutrinos and neutrons 100 meters underground in the Fermilab MINOS near-detector area.

研究の動機と目的

• ニュートリノの電荷なし側面弾性散乱からの低エネルギー陽子反動を再構築するための高分解能で低コストのトラッキング検出器を開発すること。
• 低レート地下実験におけるバックグラウンド要因としての宇宙線誘発高速中性子（1–100 MeV）を測定すること。
• SciBath 技術を、陽子のスピン構造測定を可能にする大規模な FINeSSE 検出器のプロトタイプとしての有効性を検証すること。
• フェルミラブでの現地測定を用いて、異なる深さにおける高速中性子フラックスを直接マッピングすること。
• 中性子イベントを、即時の反動陽子トラックと、約 186 μs 後に発生する 2.2 MeV ガンマ線信号によるタグ付けによって直接同定できることを示すこと。

提案手法

• 検出器は、液体シンチレーター（PPO をドーピング済み、82 L）に埋め込まれた 768 本の波長シフト（WLS）繊維（直径 1.5 mm、間隔 2.5 cm）からなる 3D 垂直グリッドを使用している。
• 荷電粒子からのシンチレーション光は WLS 繊維によって捕らえられ、位置およびエネルギー再構築のためのマルチアノードフォトマルチプライヤー管（MAPMT）へ導かれる。
• 粒子トラックは、垂直方向のオフセットに対して最小二乗法を用い、ROOT の MINUIT 最適化ルーチンを組み合わせて、最適な適合精度を達成する。
• 中性子イベントは、2 段階の特徴で識別される：短い反動陽子トラックの後、約 186 μs 後に n(p,d)γ 反応による 2.2 MeV ガンマパルスが発生する。
• キャリブレーションには、宇宙線ミューオンと、1 繊維あたり 1 つのパルス LED システムを用い、検出器全体で均一な応答を保証する。
• シミュレーションには、検出器応答のモデル化とニュートリノおよび中性子の性能予測のため、GEANT4 が使用されている。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 波長シフト繊維を用いた 3D ファイバートラック検出器は、荷電粒子トラックに対して 1 mm 未満の位置分解能および 1 度未満の角度分解能を達成できるか？
• RQ2 プロトン反動とガンマ線捕獲タグの両方を用いて、1–100 MeV の高速中性子に対して、SciBath-768 の検出効率およびエネルギー分解能はどの程度か？
• RQ3 ニュートリノの電荷なし側面弾性散乱からの低エネルギー陽子反動を、陽子スピン構造測定に十分な精度で区別し再構築できるか？
• RQ4 100 m 地下における宇宙線誘発高速中性子の予想レートはどの程度で、SciBath-768 はそれを直接測定できるか？
• RQ5 SciBath 設計は、FINeSSE 実験用の大規模 19,200 繊維検出器へのスケーリングにおいて、どの程度の性能を示すか？

主な発見

• シミュレーションにおいて、通過する宇宙線ミューオントラックに対して、位置分解能が 3 mm、角度分解能が 5° を達成した。
• 1–10 MeV の中性子に対して、プロトン反動と 2.2 MeV ガンマ線シグネチャを用いた場合、検出効率が 30%、エネルギー分解能が 30% と予測された。
• 100 MeV では、検出効率が約 10% に低下し、エネルギー分解能は約 60% に劣化した。これは、粒子がエネルギーを失って脱出するためである。
• フェルミラブの MINOS 近接検出器ホールで 2 ヶ月間の運用において、ビーム設定に応じて 100 から 10,000 個のニュートリノイベントが記録されると予想される。
• 100 m 深さにおける宇宙線誘発高速中性子のレートは、約 1 日 20 イベントと推定され、SciBath-768 はこれを直接測定することを目的として設計されている。
• 検出器はすでに起動され、宇宙線ミューオンおよび LED を用いたキャリブレーションを含む、完全なデータ取得およびキャリブレーションシステムで稼働中である。