[논문 리뷰] Accelerator Neutrino Neutron Interaction Experiment (ANNIE): Preliminary Results and Physics Phase Proposal

H.O. Back, J. F. Beacom외 29명|arXiv (Cornell University)|2017. 07. 25.

Neutrino Physics Research참고 문헌 2인용 수 36

한 줄 요약

이 논문은 페르미랩의 ANNIE 실험 제2단계를 제안하며, 수중 츄레노프 검출기에서 대면적 피코초 광검출기(LAPPD)와 향상된 광증배관(피엠티)을 배치하여 중성미자-핵 반응에서의 중성자 다중도를 측정한다. 주요 기여는 제1단계에서 낮은 중성자 배경을 입증함으로써 장거리 기반 진동 물리학과 향후 검출기 개발에 필수적인 정밀한 중성미자 반응 연구를 가능하게 한다.

ABSTRACT

The R&D mission of the Accelerator Neutrino Neutron Interaction Experiment (ANNIE) is described in detail. ANNIE is: (1) an important measurement of neutrino-nucleus interactions focusing specifically on neutron production, and (2) an R&D effort focused on using new photodetector technology and chemical additives to make advanced water-base neutrino detectors. The ANNIE experiment consists of a small Water Cherenkov detector, instrumented with both conventional photomultiplier tubes (PMTs) and Large Area Picosecond Photodetectors (LAPPDs) deployed on the Booster Neutrino Beam (BNB) at Fermilab. The experiment is designed to proceed in two stages: a partially-instrumented test-beam run using only PMTs (Phase I) for the purpose of measuring critical neutron backgrounds to the experiment; and a physics run with a fully-instrumented detector (Phase II). This paper gives preliminary results of the first phase and described the detector design upgrades necessary for the next phase.

연구 동기 및 목표

• 빔 덤프 실험을 통해 중성미자-핵 상호작용에서의 최종 상태 중성자 다중도를 측정하기 위해.
• 장거리 기반 진동 실험의 중성미자 에너지 재구성에서의 체계적 오차를 줄이기 위해.
• 향후 대규모 검출기용으로 사용할 수 있도록 LAPPD와 게르마늄 도핑된 물을 중성미자 빔 환경에서 사용하는 것을 입증하기 위해.
• 양성자 붕괴 및 초신성 중성미자 탐지에 적합한 중성자 태깅 효율성과 피드유비온 볼륨 최적화를 검증하기 위해.
• 다음 세대 수중 츄레노프 중성미자 검출기인 Theia의 개발을 지원하기 위해.

제안 방법

• 페르미랩 브로우터 중성미자 빔(BNB) 홀에 전통적인 피엠티와 LAPPD를 갖춘 수중 츄레노프 검출기를 설치하기 위해.
• 제1단계 데이터를 활용해 낮은 중성자 배경 비율을 측정하고 확인하여 제2단계 물리 목표를 달성할 수 있도록 하기 위해.
• PSEC4 시스템을 통한 LAPPD 읽기 회로 통합 및 LAPPD의 이면적 데이터 스트림을 처리할 수 있도록 DAQ를 업그레이드하기 위해.
• 향상된 피엠티 커버리지와 뮤온 범위 검출기(MRD)의 재건을 통해 중성자 함유 및 피드유비온 볼륨 최적화를 위해.
• 운동량 재구성과 피드유비온 볼륨의 정의를 적용하여 신호 식별 및 배경 억제를 향상시키기 위해.
• 원시 데이터에 기하학적 정보, 캘리브레이션, 트리거 분리 기능을 적용하기 위해 ANNIEPOST 오프라인 처리 도구를 활용하기 위해.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 물에서 중성미자-핵 상호작용에서의 중성자 다중도는 얼마이며, 중성미자 에너지 재구성에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ2 고배경 빔 환경에서 LAPPD는 중성자를 태깅하는 데 얼마나 효과적인가?
• RQ3 2p-2h 및 끼워진 π 메손 상호작용은 CCQE 유사 사건에서 중성미자 에너지 재구성 오류에 얼마나 기여하는가?
• RQ4 Gd 도핑된 물과 LAPPD는 중성미자 실험에서 중성자 탐지 효율을 크게 향상시킬 수 있는가?
• RQ5 피드유비온 볼륨 최적화와 피드유비온 재구성은 중성미자 상호작용 측정에서 배경을 얼마나 잘 줄일 수 있는가?

주요 결과

• 제1단계 데이터는 SciBooNE 홀에서 중성자 배경이 제2단계 물리 측정을 수행하기에 충분히 낮다는 것을 확인하였다.
• Incom Inc.에서 제공한 LAPPD 모듈은 시험을 통과했으며, 이미 ANNIE에 설치할 준비가 되어 있으며, 읽기 전자회로와 방수 케이스도 개발되었다.
• 기존 ANNIE DAQ 시스템은 주로 새로운 드라이버와 인터페이스 하드웨어를 통해 최소한의 수정으로 LAPPD 데이터 스트림을 지원할 수 있도록 업그레이드될 수 있다.
• 제2단계 검출기 설계는 피엠티 커버리지의 증가를 포함하며, 128개의 피엠티와 최대 20개의 LAPPD 모듈을 통합하여 중성자 태깅 효율을 향상시킨다.
• VME 기반 읽기 시스템은 확장 가능하며, 480개의 음성 고전압 채널과 160개의 양성 고전압 채널을 지원하기 위해 CAEN SY4527 크레이트를 계획 중이다.
• 협동 연구팀은 LAPPD 읽기 및 제어 시스템이 기존 ANNIE 인fra구조와 호환되며, PSEC4 시스템과 통합될 수 있음을 입증하였다.