[論文レビュー] The CAPTAIN Detector and Physics Program

The CAPTAIN Collaboration, H. Berns+45 more|arXiv (Cornell University)|Sep 6, 2013

Neutrino Physics Research参考文献 9被引用数 23

ひとこと要約

CAPTAIN実験は、ロスアラモス国立研究所に5トンの液体アルゴン時間投影連続器（LArTPC）を設置し、高精度でアルゴン中の中性子およびニュートリノ反応を測定することを目的としている。SNSおよびNuMIのビームライン、レーザー補正、光子検出を用いることで、超新星爆発ニュートリノおよび長基準距離ニュートリノ物理学に不可欠な低エネルギーニュートリノ断面積および中性子エネルギーのタグ付けに関する画期的な測定が可能となる。

ABSTRACT

The Cryogenic Apparatus for Precision Tests of Argon Interactions with Neutrino (CAP- TAIN) program is designed to make measurements of scientific importance to long-baseline neutrino physics and physics topics that will be explored by large underground detectors. The CAPTAIN detector is a liquid argon TPC deployed in a portable and evacuable cryostat. Five tons of liquid argon are instrumented with a 2,000 channel liquid argon TPC and a photon detection system. Subsequent to the commissioning phase, the detector will collect data in a high-energy neutron beamline that is part of the Los Alamos Neutron Science Center to measure cross-sections of spallation products that are backgrounds to measurements of neutrinos from a supernova burst, cross-sections of events that mimic the electron neutrino appearance signal in long-baseline neutrino physics and neutron signatures to constrain neutrino energy reconstruction in LBNE's long-baseline program. Subsequent to the neutron running, the CAPTAIN detector will be moved to a neutrino source. Two possibilities are an on-axis run in the NuMI beamline at FNAL and a run in the neutrino source produced by the SNS. An on-axis run at NuMI produces more than one million events of interest in a two or three year run at neutrino energies between 1 and 10 GeV - complementary to the MicroBooNE experiment, which will measure similar interactions at a lower energy range - 0.5 to 2 GeV. At the SNS the neutrinos result from the decays stopped positively charged pions and muons yielding a broad spectrum up to 50 MeV. If located close to the spallation target, CAPTAIN can detect several thousand events per year in the same neutrino energy regime where neutrinos from a supernova burst are. Measurements at the SNS yield a first measurement of the cross- section of neutrinos on argon in this important energy regime.

研究の動機と目的

• 超新星バーストニュートリノ検出および長基準距離ニュートリノ振動実験に関連する、アルゴン中の中性子反応断面積を測定すること。
• 液体アルゴンTPCを用いて中性子エネルギー再構築およびタグ付け技術を開発・検証し、全ニュートリノエネルギー測定を向上させること。
• 散乱中性子源（SNS）で液体アルゴンTPCを用いて、低エネルギーニュートリノ断面積を初めて測定すること。
• 将来の大規模LArTPC検出器（LBNEなど）に向けた補正および検出戦略（特にレーザー補正および光子検出）を検証すること。
• LBNEの物理学計画を支援するため、荷電現在および中性現在反応、脱励起ガンマ線タグ付け、バックグラウンド抑制に関する重要なデータを提供すること。

提案手法

• 7,700リットルの搬送可能冷却タンクに5トンの液体アルゴンを封入し、2,000チャンネルの液体アルゴンTPCおよび光子検出システムを設置する。
• レーザー補正システムおよび光学窓を用いて、光出力および検出器応答の高精度補正を可能にする。
• ロスアラモス中性子科学センター（LANSCE）で高強度の中性子運転を実施し、スパッタレーション生成物の断面積および中性子エネルギー損失を測定する。
• SNSで低強度の中性子およびニュートリノ運転を実施し、停止π中間子源を用いて50 MeVのエネルギー端点スペクトルを持つ超新星バーストニュートリノを模擬する。
• フェルミラブのNuMIビームラインで運転し、軸上および軸外の設定を含め、1–10 GeVのエネルギー範囲のニュートリノ反応を測定する。
• 1,000チャンネルのプロトタイプLArTPCを用いて、フルスケールCAPTAIN導入前のエンドツーエンドシステムのテストおよび解析技術の開発を行う。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 超新星バーストニュートリノに関連するエネルギー範囲におけるアルゴン中の中性子反応断面積は何か？
• RQ2 液体アルゴンTPCは、アルゴン、塩素、カリウムの励起核状態からの脱励起ガンマ線を正確に再構築・検出できるか？
• RQ3 実際の地上環境下で、低エネルギーニュートリノ反応（<50 MeV）に対する液体アルゴンTPCのエネルギー分解能およびバックグラウンド性能はいかほどか？
• RQ4 レーザー補正および光子検出システムは、液体アルゴン中のニュートリノ反応イベントの高精度タグ付けにどの程度効果的か？
• RQ5 長基準距離ニュートリノ実験における中性子バックグラウンドを最小限に抑えるために最適な検出器構成および遮蔽戦略は何か？

主な発見

• SNSに10–30メートルの距離で設置されたCAPTAIN検出器は、年間数1,000件のニュートリノイベントを収集できる見込みであり、アルゴンにおける低エネルギーニュートリノ断面積の初測定が可能となる。
• 1,000チャンネルのプロトタイプLArTPCにより、補正および解析技術の早期テストが可能となり、フルスケール検出器のリスク低減が図られる。
• LANSCEビームラインからの中性子データは、長基準距離実験における電子ニュートリノ出現信号を模倣するスパッタレーション生成物断面積を提供する重要な測定結果となる。
• SNSの停止π中間子源は、50 MeVまでの広帯域スペクトルを持つ良好に特徴付けられたニュートリノビームを提供し、超新星バーストニュートリノの模擬に最適である。
• 検出器の光子検出システムにより、40K、39Ar、37Arの励起核状態からの脱励起ガンマ線のタグ付けが可能となり、バックグラウンド抑制に不可欠となる。
• CAPTAIN計画は、LBNE遠方検出器の設計および運用に不可欠なデータを提供する。特に、光収率およびデータ取得システム（DAQ）仕様に関する重要な情報を提供する。