[논문 리뷰] A Novel Cosmic Ray Tagger System for Liquid Argon TPC Neutrino Detectors

M. Auger, M. Del Tutto외 14명|arXiv (Cornell University)|2016. 12. 14.

Neutrino Physics Research참고 문헌 3인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 페르미랩의 단기 기저 중성자 탐지기(SBN) 프로그램에서 액체 neon 시간 투영실(LArTPC) 중성자 탐지기용 새로운 시린스코프 기반의 우주선 태그 기술(CRT) 시스템을 제시한다. 16개의 시린스코프 스트립 모듈을 사용하며, 파장 이동 섬유와 실리콘 광다이오드(스피드)를 활용하여 CRT는 95% 이상의 뮤온 탐지 효율, 1.8 cm의 공간 해상도, 1.2 ns의 타이밍 해상도를 달성하여 중성자 상호작용 재구성에서 배경을 줄이기 위해 우주선을 정밀하게 태그한다.

ABSTRACT

The Fermilab Short Baseline Neutrino (SBN) program aims to observe and reconstruct thousands of neutrino-argon interactions with its three detectors (SBND, MicroBooNE and ICARUS-T600), using their hundred of tonnes Liquid Argon Time Projection Chambers to perform a rich physics analysis program, in particular focused in the search for sterile neutrinos. Given the relatively shallow depth of the detectors, the continuos flux of cosmic ray particles which crossing their volumes introduces a constant background which can be falsely identified as part of the event of interest. Here we present the Cosmic Ray Tagger (CRT) system, a novel technique to tag and identify these crossing particles using scintillation modules which measure their time and coordinates relative to events internal to the neutrino detector, mitigating therefore their effect in the event tracking reconstruction.

연구 동기 및 목표

• 페르미랩의 SBN 프로그램에서 LArTPC 탐지기의 활성 부피를 관통하는 주요 배경인 우주선 뮤온의 영향을 줄이기 위해.
• 잘못 식별된 우주 뮤온으로 인한 가짜 양성자 상호작용 이벤트를 감소시켜 중성자 진동 측정의 민감도를 향상시키기 위해.
• 태깅된 우주 뮤온을 활용하여 탐지기의 정밀 校정 및 응답 특성 분석을 가능하게 하기 위해.
• 대용량 LArTPC에 적합한 확장 가능하고 고성능의 태깅 시스템을 시린스코프 스트립, WLS 섬유, SiPM을 사용해 개발하기 위해.
• 엄격한 품질 보증 및 校정 절차를 통해 모든 모듈에서 일관된 성능을 확보하기 위해.

제안 방법

• CRT 시스템은 알루미늄 케이싱에 10.8 cm 너비의 16개의 기계적으로 결합된 시린스코프 스트립(0.1 mm 접착층 포함)을 사용하며, 기계적 안정성을 확보하기 위해 2 mm 두께의 벽을 갖춘다.
• 각 스트립은 양단에 위치한 두 개의 파장 이동(WLS) 섬유와 두 개의 SiPM을 통해 독립적으로 읽어내어 신호 강도 비율을 이용해 위치 재구성을 가능하게 한다.
• 250 MHz의 굵은 카운터와 지연 체인 인터폴레이터를 갖춘 프론트엔드 보드(FEB)는 이벤트 타임스탬프 기록을 위해 1.2 ns RMS의 타이밍 해상도를 달성한다.
• 시린스코프 내에서 광자의 전파 지연을 측정하여, 효과적인 지연을 6.1 ± 0.7 ns/m로 확인하였으며, 이는 비행 시간 측정 보정에 사용된다.
• 다양한 스트립 위치와 모듈 구성에서의 위치 및 타이밍 해상도를 검증하기 위해 우주 뮤온을 캘리브레이션 원천으로 사용한다.
• 접선 뮤온을 이용해 인접 모듈 간 및 7.3 m 떨어진 모듈 간의 트리거 시간 차이를 측정하였으며, 각각 2 ns 및 25 ns의 케이블 지연 시간을 확인하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 대용량 LArTPC에서 시린스코프 기반 태깅 시스템이 우주선 뮤온에 대해 95% 이상의 탐지 효율을 달성할 수 있는가?
• RQ2 이중 SiPM 읽기 방식을 사용한 시린스코프 스트립에서의 뮤온 위치 재구성에 대해 도달 가능한 공간 해상도는 얼마인가?
• RQ3 FEB 시스템의 타이밍 해상도가 다양한 신호 강도와 경로 길이에서 1.2 ns RMS로 유지될 수 있는가?
• RQ4 최대 7.3 m 떨어진 여러 모듈 간에 우주선 뮤온의 상대적 타이밍을 얼마나 정확히 해상할 수 있는가?
• RQ5 CRT 시스템이 SBN 탐지기에서 우주선 배경으로 인한 가짜 중성자 상호작용 재구성 문제를 어느 정도 감소시킬 수 있는가?

주요 결과

• 우주선 캘리브레이션을 통해 각 모듈의 전체 표면에서 95%를 초과하는 뮤온 탐지 효율을 확보하였다.
• 위치 재구성의 공간 해상도는 1.8 cm이며, 신호 강도 보정을 통해 재구성된 위치와 진짜 충격 위치 간의 RMS 차이를 최소화하였다.
• FEB 시스템의 타이밍 해상도는 1.2 ns RMS로 측정되었으며, 펄스 레이저를 사용하여 SiPM에서 25 cm 및 375 cm 떨어진 곳에서 검증하였다.
• 시린스코프 스트립 내에서의 효과적인 광자 전파 지연은 6.1 ± 0.7 ns/m로 측정되었으며, 이는 정확한 비행 시간 보정에 기여한다.
• 모듈 간 트리거 시간 차이는 예상되는 케이블 지연(2 ns 및 25 ns)과 일치하여 시스템 전반에 걸쳐 안정적이고 예측 가능한 타이밍 성능을 확인하였다.
• 품질 보증 테스트를 통해 모든 모듈에서 균일한 성능을 확보하였으며, 일관된 탐지 효율과 해상도를 통해 대규모 배치에 대한 신뢰성을 입증하였다.