[論文レビュー] The MINOS Detectors

A. Habig, E. Grashorn|ArXiv.org|Jul 2, 2005

Neutrino Physics Research被引用数 10

ひとこと要約

MINOS実験は、フェルミラブのNuMI施設から発生する長基準距離ビームを用い、2つの磁化された鉄/シンチレーターキャリオメータ検出器——近接（16.6 m、980トン）および遠方（735 km、5400トン）——を用いて、ニュートリノ振動パラメータを高精度で測定する。検出器は95%のライブタイムを達成し、ミューオンの軌跡を0.25°の分解能で解像し、エネルギー分解能が電子で23%/√E、ハドロンで55%/√Eの気象的ニュートリノおよびビームニュートリノを観測している。

ABSTRACT

The Main Injector Neutrino Oscillation Search (MINOS) experiment's primary goal is the precision measurement of the neutrino oscillation parameters in the atmospheric neutrino sector. This long-baseline experiment uses Fermilab's NuMI beam, measured with a Near Detector at Fermilab, and again 735 km later using a Far Detector in the Soudan Mine Underground Lab in northern Minnesota. The detectors are magnetized iron/scintillator calorimeters. The Far Detector has been operational for cosmic ray and atmospheric neutrino data from July of 2003, the Near Detector from September 2004, and the NuMI beam started in early 2005. This poster presents details of the two detectors.

研究の動機と目的

• 長基準距離実験を用いて、大気ニュートリノ領域におけるニュートリノ振動パラメータを高精度で測定すること。
• 同一の設計および材料を有する2つの極めて類似した検出器を構築することで、系統的不確実性を最小限に抑えること。
• 磁化された鉄の平面とシンチレーターリードアウトを用いて、荷電粒子の符号識別および運動量測定を可能にすること。
• 高度なキャリブレーションおよびトリガーシステムを用いて、宇宙線およびニュートリノイベント再構築のための高い検出器性能とデータ品質を達成すること。
• 2003年から2005年にかけての宇宙線ミューオンの研究およびビームデータ収集を通じて、検出器の運用およびデータ取得を検証すること。

提案手法

• 検出器は、2.54 cm 厚のAISI 1006低炭素鋼（標的およびキャリオメータとして）と、PPOおよびPOPOPフラーレンをドーピングした押出成形シンチレーターストライプの層状構造を用いる。
• シンチレーション光は、ストライプに沿った溝に接着された波長シフト（WLS）繊維を介して収集され、端部のフォトマルチプライヤー管（PMT）に送信される。
• 遠方検出器では、ストライプ端子を1つのPMTに8:1の多重化処理（Hammamatsu R6000-M16）しており、近接検出器ではイベントレートの高い状況に対応するため4:1の多重化（M-64 PMTs）を採用している。
• 電子回路には、データ取得のためのカスタムVMEカードを用い、電荷および時間のデジタル化は、遠方ではViking VAチップ、近接ではFNAL QIEチップを用い、19 nsのイベントスライスを可能にしている。
• UV LEDを用いた光注入システムにより、特定の検出器セグメントに既知の光レベルを注入することで、光学的応答のキャリブレーションが行われる。
• ソフトウェアトリガーは、連続する5枚の平面のうち4枚以上、または4平面窓内に1500 ADCカウント以上の6ヒットを要件とし、ノイズを抑制して物理的イベントを選択する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 磁化された鉄/シンチレーターキャリオメータ内でのニュートリノ相互作用位置および粒子運動量の解像度は、MINOS検出器でどの程度達成可能か？
• RQ2 宇宙線ミューオン検出システムの性能、特に効率および角度分解能はいかがなものか？
• RQ3 ライブタイム、データ取得効率、バックグラウンド抑制という観点から、遠方検出器と近接検出器はどのように比較されるか？
• RQ4 検出器システムにおけるハドロンおよび電磁シャワーのエネルギー分解能は何か？
• RQ5 ビームおよび大気ニュートリノデータを通じて、検出器システムがニュートリノ振動パラメータの高精度測定をどの程度支援できるか？

主な発見

• 遠方検出器は、宇宙線データで95%のライブタイムを達成し、ビームデータでは99%以上を記録しており、遮断シールドによる宇宙線の97%の効率的拒否が可能である。
• ミューオンの軌跡は、縦方向に5.94 cm、横方向に4.1 cmの空間分解能で解像され、0.25°の角度分解能が達成されている。
• ハドロンシャワーのエネルギー分解能は55%/√E、電子のそれは23%/√Eであり、ミューオンは平均して1平面あたり9個の光電子を生成している。
• 近接検出器では、8.67 μsのビームスパイルあたり平均20件のニュートリノ相互作用が記録されており、データは18 msにわたり連続的にデジタル化され、19 nsの分解能でオフラインでスライスされている。
• 2005年3月以降、遠方検出器では週に数件の割合で大気ニュートリノイベントが観測されている。
• 2005年1月のビームテストで近接検出器で初めてビームニュートリノが観測され、2005年3月にビーム強度が向上した後、遠方検出器でも観測が確認された。