[論文レビュー] Sub MeV Particles Detection and Identification in the MUNU detector ((1)ISN, IN2P3/CNRS-UJF, Grenoble, France, (2)Institut de Physique, Neuchâtel, Switzerland, (3) INFN, Padova Italy, (4) Physik-Institut, Zürich, Switzerland)

M. Avenier, C. Broggini+15 more|arXiv (Cornell University)|Jun 29, 2001

Particle Detector Development and Performance被引用数 13

ひとこと要約

MUNU検出器は、3 barのCF₄ガスを充填した1 m³のガス時間投影連合（TPC）で、周囲を10 m³の液体シンチレーション液で囲んでおり、イオン化電荷とシンチレーション光の併用測定により、1 MeV未塔の粒子検出と同定を可能にする。ニュートリノ-電子散乱からの電子軌跡の3次元再構成が達成され、最初にガスTPCでコンプトン散乱を用いて約1 MeVの光ピーク（⁵⁴Mnからの835 keV）を再構成した。エネルギー分解能は220 keV FWHM、角度分解能は39.7° ± 2.2°であった。

ABSTRACT

We report on the performance of a 1 m$^{3}$ TPC filled with CF$_{4}$ at 3 bar, immersed in liquid scintillator and viewed by photomultipliers. Particle detection, event identification and localization achieved by measuring both the current signal and the scintillation light are presented. Particular features of $α$ particle detection are also discussed. Finally, the ${54}$Mn photopeak, reconstructed from the Compton scattering and recoil angle is shown.

研究の動機と目的

• 原子炉近くの低エネルギー電子を検出・同定すること。
• ニュートリノ物理学に向けた1 MeV未塔のエネルギー分解能と高精度な3次元軌跡再構成を実現するガスTPCの開発。
• 外部の液体シンチレーション液バッテリーを用いて、宇宙線およびコンプトン散乱由来のバックグラウンドを低減すること。
• 太陽ニュートリノ、特に⁷Be（862 keV）およびpp（420 keV）ニュートリノの分光測定を可能にすること。
• 将来的な低バックグラウンドニュートリノ実験に向け、二重読み出し（電荷および光）を備えたガスTPCの実用可能性を検証すること。

提案手法

• 3 barのCF₄ガスを充填した1 m³のTPCは、カソード、グリッド、アノードおよびx-yストリップ読み出しを用いてイオン化電荷を収集する。
• TPCは、光電子倍増管によって観測されるシンチレーション光を検出し、宇宙線およびコンプトンイベントをバッテリーする10 m³の液体シンチレーション液容器で囲まれている。
• アルファ粒子からの一次シンチレーション光と、アノードでの電子アバランチで増幅された光を用いて、高精度に軌跡の位置およびトポロジーを特定する。
• 長いケーブルと高い電子ノイズの影響を受けるx-およびy-ストリップ信号に対して、フーリエに基づくノイズ低減技術を適用し、空間分解能を向上させる。
• シンチレーション光からの飛行時間とTPC内での2次元軌跡投影を組み合わせることで3次元イベント再構成を達成し、全頂点および入射ガンマ線方向の特定を可能にする。
• エネルギーおよび角度分解能は、⁵⁴Mnのコンプトン散乱データを用いて評価され、自動画像処理を用いた軌跡再構成が実施された。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 二重読み出し（電荷およびシンチレーション光）を備えたガスTPCは、低エネルギー電子反動に対して1 MeV未塔のエネルギー分解能を達成できるか？
• RQ2 TPCトラッキングと外部のシンチレーション液バッテリーの組み合わせは、低エネルギーニュートリノ実験における宇宙線およびコンプトンバックグラウンドを効果的に低減できるか？
• RQ3 ガスTPCにおいて、再結合電子軌跡とシンチレーション光のみを用いて、コンプトン散乱からの入射ガンマ線エネルギーを再構成することは可能か？
• RQ4 3 bar圧力のCF₄ベースのTPCで、1 MeV未塔の電子反動に対して達成可能なエネルギーおよび角度分解能は何か？
• RQ5 この検出器概念は、特に⁷Beおよびppニュートリノピークを検出するために拡張可能か？

主な発見

• MUNU検出器は、ニュートリノ-電子散乱からの電子軌跡を3次元再構成し、反動電子エネルギーのしきい値が300 keVであった。
• ⁵⁴Mn崩壊からの再構成835 keV光ピークは、半値全幅（FWHM）220 keVを示し、コンプトン散乱を用いたガスTPCで最初の成功した光ピーク再構成を実証した。
• 300 keV以上のコンプトン散乱イベントにおける角度分解能は39.7° ± 2.2°であり、入射ガンマ線に対する良好な方向感度を示している。
• 640 keVにおけるエネルギー分解能は10.1%であり、シミュレーションと整合的であり、単純な√E則ではなく、経験則的E⁰.⁷依存性を示している。
• アルファ粒子からの一次シンチレーション光は良好に分解され、明確な粒子同定およびドリフト方向の絶対的軸位置決定が可能である。
• 検出器の二重読み出し（電荷および光）は、特に宇宙線およびコンプトンイベントに対して、イベントトポロジーの特徴付けとバックグラウンド低減を顕著に向上させた。