[論文レビュー] Study of a New Target Design with an Additional Horn for NuMI Beam

Jyoti Tripathi|arXiv (Cornell University)|Oct 10, 2017

Radiation Therapy and Dosimetry参考文献 1被引用数 3

ひとこと要約

本論文は、NOvAのターゲットを改良し、グラファイト製のフィンをホーン1に挿入し、ストライプラインに6 mおよび16 mの位置に同一のホーン2を追加することで、ニュートリノ生成量を向上させる新規設計を提案する。シミュレーションにより、遠方検出器における$ν_{\mu}$イベント数が21.7%増加し、$ν_e$混入率が25.4%低減される。FHCおよびRHC両設定で最適性能を示し、ニュートリノエネルギースペクトルピークのシフトなしに実現される。

ABSTRACT

This paper describes the simulation studies done for the standard NOvA target and the proposed new minimal NOvA target design, in forward and reverse horn current for studying the neutrino and antineutrino event yield and the background contamination at the near and far detector. The standard NOvA target is segmented into 48 graphite segments (fins) with two magnetic horns, Horn 1 placed at MCZERO and Horn 2 placed at 19.18 m from MCZERO. The new minimal target design has 24 graphite fins extended into Horn 1. It shows the study for the position optimization of the Horn 2 relative to Horn 1 for the standard and the new minimal target design. The effect of introducing an additional horn (identical to Horn 2) with the new minimal target design, on the neutrino yield and the energy spectra, has also been explored.

研究の動機と目的

• 磁気ホーン内に挿入するためのターゲットの再設計により、NOvA実験におけるニュートリノ生成量を増加させること。
• ホーン1によって過剰に焦点を合わせられた低エネルギーパイオンを再焦点化する目的で、ストライプラインに同一のホーン2を追加する影響を評価すること。
• 最大のニュートリノフラックス増加を実現するため、第二のホーン2をホーン1および新ターゲット設計に対して最適な位置に配置すること。
• 高プロトンターゲット条件下での新最小ターゲット設計の実現可能性と性能を評価すること。
• 標準ターゲットおよびホーン設定と比較して、$ν_{\mu}$、$υ_{\mu}$、$ν_e$イベント数および混入レベルの向上を定量すること。

提案手法

• Geant4のジオメトリとFLUKAの物理モデルを統合したFLUGGシミュレーションフレームワークを用い、NuMIビームライン内での粒子相互作用および崩壊をシミュレートした。
• ホーン1に挿入された24本の上流フィン（標準と同一）と、高さを17 mmに短縮した24本の下流フィンを備えた新最小ターゲットをモデル化した。
• ビームスポットを1.1 mm、ホーン電流を200 kA、プロトンターゲット数を6×10^20としてシミュレーションを実施し、比較のためのスケーリングを適用した。
• ホーン1から大角度に放出されるパイオンの再焦点化を目的に、6 mおよび16 mの位置に同一のホーン2を複数配置した。
• ホーン1およびホーン1に対する第二のホーン2の位置をスキャンし、最大のニュートリノ生成量を実現する最適な配置を同定した。
• FHCおよびRHCモードの両方において、標準および新ターゲット設計の間で$ν_{\mu}$、$ν_e$、$υ_{\mu}$、$ν_e$混入率のイベント数およびエネルギースペクトルを比較した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 新最小ターゲット設計をホーン1のみで使用した場合、遠方検出器における$ν_{\mu}$イベント数にどの程度の増加が見られるか？
• RQ2 最適位置に配置された第二のホーン2を導入することで、標準設定と比較してニュートリノフラックスおよびスペクトル形状にどのような影響があるか？
• RQ3 FHCおよびRHCモードにおいて、新ターゲットを二重ホーン2で使用した場合、$ν_e$混入率および$ν_{\mu}$イベント数にどの程度の改善が見られるか？
• RQ4 ホーン1にターゲットフィンを挿入することで、ニュートリノエネルギースペクトルピークの位置が維持されるか？ つまり、生成量増加に伴うスペクトル歪みは生じないか？
• RQ5 新ターゲット設計において、最大の$ν_{\mu}$生成量を得るための第二のホーン2の第一のホーンおよびホーン1からの最適配置は何か？

主な発見

• 新最小ターゲット設計により、FHC設定下で近方検出器における$ν_{\mu}$イベント数が11.5%増加し、遠方検出器では11.3%増加した。
• 6 mおよび16 mの位置に第二のホーン2を配置した場合、遠方検出器における$ν_{\mu}$イベント数は21.7%増加し、$ν_e$混入率も25.4%低減された。
• $ν_{\mu}$エネルギースペクトルピークは、新ターゲット設計を用いた場合も変化せず、生成量増加に伴うスペクトル歪みがないことを示している。
• RHC設定下では、新ターゲットと二重ホーン2を組み合わせた場合、近方検出器で$υ_{\mu}$が24.7%増加し、遠方検出器では22.8%増加した。$ν_e$混入率は36.4%増加した。
• 最大の$ν_{\mu}$生成量を得る最適な設定は、第一のホーン2をMCZEROから6 m、第二のホーン2を16 mの位置に配置した場合であり、標準設定および単一ホーン2設定を上回る性能を示した。
• FHC設定下で、新ターゲット設計により近方検出器における$ν_e$イベント数が29.6%増加し、遠方検出器では30.2%増加した。これは、$ν_{\mu} \to \u03bd_e$オシレーショングラフ感度の向上を示している。