[論文レビュー] Tagged Neutron, Anti-neutron and K-Long beams in an Upgraded MIPP Spectrometer

R. Raja|ArXiv.org|Jan 23, 2007

Nuclear Physics and Applications被引用数 3

ひとこと要約

本論文では、液体ヘリウム冷却水素標的にて、ドリフト反応を介して、標識付き中性子、反中性子、$K^0_L$ビームを生成するためのアップグレードされたMIPP分光計の利用を提案する。<2%のエネルギー分解能を達成する制約付きフィッティングを用いて4元運動量を再構築することで、粒子流量アルゴリズム（PFA）研究のためのカリブレーションが高精度に可能となり、1日あたり数万個の標識付き中性粒子を取得可能となる。

ABSTRACT

The MIPP experiment operating with an upgraded data acquisition system will be capable of acquiring data at the rate of 3000 events per second. Currently we are limited to a rate of 30 Hz due to the bottlenecks in the data acquisition electronics of the Time Projection Chamber (TPC). With the speeded up DAQ, MIPP will be capable of acquiring data at the rate of $\approx$5 million events per day. This assumes a conservative beam duty cycle of 4~sec spill every 2 minutes with a 42% downtime for main injector beam manipulations for the $\bar{p}$ source. We show that such a setup is capable of producing tagged neutron, anti-neutron and $K^0_L$ beams that are produced in the MIPP cryogenic hydrogen target using proton, anti-proton and $K^{\pm}$ beams. These tagged beams can be used to study calorimeter responses for use in studies involving the Particle Flow Algorithm (PFA). The energy of these tagged beams will be known to better than 2% on a particle by particle level by means of constrained fitting. We expect a tagged beam rate in the tens of thousands a day. The MIPP spectrometer thus offers a unique opportunity to study the response of calorimeters to neutral particles.

研究の動機と目的

• 粒子流量アルゴリズム（PFA）開発のためのハドロン・カルォリメータの反応特性を高精度に校正するため、高レートで標識付き中性粒子（中性子、反中性子、$K^0_L$）を生成することを可能にする。
• ハドロン・カルォリメータにおける粒子流量アルゴリズム（PFA）開発のため、カルォリメータの校正精度を向上させること。
• 高レートデータ取得システム上で制約付きフィッティング技術を活用し、個々の粒子に対して2%未満の精度で中性粒子エネルギーを特定すること。
• アップグレードされたMIPP分光計の3000 Hzのデータ取得レートと1日あたり500万イベントの能力を活用し、核標的における高精度なハドロ生成データを収集すること。
• 生成時の純粋な$K^0$および$\bar{K}^0$状態を有するため、将来のCP対称性破れ研究への$K^0_L$ビームの可能性を検討すること。

提案手法

• 液体ヘリウム冷却水素標的を用いて、標識付き中性子、反中性子、$K^0_L$粒子を生成するための弾性反応を可能にする。
• ポメロン交換を介したビーム誘発反応（$pp \rightarrow n\pi^+p$、$K^+p \rightarrow \bar{K}^0\pi^+p$、$K^-p \rightarrow K^0\pi^-p$、$\bar{p}p \rightarrow \bar{n}\pi^-p$）を用いる。
• 既知のビーム運動量と標的プロトン質量を用いて、4元運動量を再構築するための制約付きフィッティング（4-Cフィッティング）を適用し、2%未満のエネルギー分解能を達成する。
• 微分チェレンコフカウンタおよび時間飛行系を用いてビーム粒子の識別を行い、プロトン、反プロトン、中間子の特定ビーム種別をトリガーする。
• 3000 Hzのイベントレートを維持できるアップグレードされたデータ取得システムを実装し、2分ごとに4秒間のスパイルを繰り返すことで、1日あたり約500万イベントを取得可能とする。
• 既存のカルォリメータをILCテスト用カルォリメータに置き換え、制御されたビーム環境下で中性粒子応答を研究する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 高レート・高受容性分光計は、カルォリメータ校正に十分な精度で、標識付き中性粒子（中性子、反中性子、$K^0_L$）を生成可能か？
• RQ2 測定された荷電粒子運動量とビーム制約を用いて、制約付きフィッティングが再構築された中性粒子運動量のエネルギー不確実性をどの程度低減できるか？
• RQ3 10–60 GeV/cの異なるビーム運動量において、標識付き$K^0_L$、中性子、反中性子ビームの予想イベントレートはどの程度か？
• RQ4 核標的と比較して、液体水素標的が制約付きフィッティングの実現可能性をどのように向上させるか？
• RQ5 標識付き$K^0_L$ビームは、生成点で純粋な$K^0$または$\bar{K}^0$状態を有するか？これにより、将来のCP対称性破れ研究が可能になるか？

主な発見

• アップグレードされたMIPP分光計は、約3000 Hzのデータ取得レートを達成でき、2分ごとに4秒間のスパイルを繰り返すことで、1日あたり約500万イベントを取得可能であり、42%のダウンタイムを有する。
• 制約付きフィッティングを用いることで、個々の粒子に対して2%未満のエネルギー分解能を達成し、標識付き中性子、反中性子、$K^0_L$ビームを生成可能である。
• $K^+p \rightarrow pK^0_L\pi^+$反応において、60 GeV/cのビーム運動量で1日あたり約15,750イベントの予想レートが得られる。
• $K^-p \rightarrow pK^0_L\pi^-$反応において、30 GeV/cのビーム運動量で1日あたり約14,175イベントのピークレートが得られる。
• $\bar{p}p \rightarrow p\bar{n}\pi^-$反応において、60 GeV/cのビーム運動量で1日あたり約13,550イベントのレートが達成される。
• $K^0_L$ビームは、生成点で純粋な$K^0$および$\bar{K}^0$状態で生成され、CP対称性破れ研究への可能性を提供する。