[논문 리뷰] Baby MIND: A magnetised spectrometer for the WAGASCI experiment

M. Antonova, R. Asfandiyarov외 44명|arXiv (Cornell University)|2017. 04. 26.

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한 줄 요약

Baby MIND는 J-PARC에서 수행되는 WAGASCI 실험을 위해 중성미자 충돌 상호작용에서 발생하는 뮤온의 전하와 운동량을 측정하기 위해 개발된 자석화된 철 분광계 프로토타입이다. 33개의 자석화된 철 판과 MPPC로 독립적으로 읽는 18개의 스цин티레이터 모듈을 사용하여, 0.2–6 GeV/c 운동량 범위 내에서 95% 이상의 재구성 효율성과 90% 이상의 전하 식별 효율성을 달성하며, T2K 진동 분석에 필수적인 중성미자 단면적에 대한 개선된 제약 조건을 가능하게 한다.

ABSTRACT

The WAGASCI experiment being built at the J-PARC neutrino beam line will measure the difference in cross sections from neutrinos interacting with a water and scintillator targets, in order to constrain neutrino cross sections, essential for the T2K neutrino oscillation measurements. A prototype Magnetised Iron Neutrino Detector (MIND), called Baby MIND, is being constructed at CERN to act as a magnetic spectrometer behind the main WAGASCI target to be able to measure the charge and momentum of the outgoing muon from neutrino charged current interactions.

연구 동기 및 목표

• 물과 스цин티레이터에서의 중성미자 상호작용 단면적을 정밀하게 측정하여 T2K 중성미자 진동 분석에서 주요로 작용하지 않는 체계적 오차를 줄이기 위해.
• 중성미자 전하-전류 상호작용에서 발생하는 뮤온의 전하와 운동량을 식별할 수 있는 자석 분광계를 개발하기 위해.
• CERN에서 WAGASCI 실험에 통합되기 전에 자석화된 철 중성미자 검출기 프로토타입(Baby MIND)을 구축하고 특성화하기 위해.
• CERN의 PS 시설에서 실시한 시험 비드를 통해 검출기의 읽기 전자기기, 데이터 수집 장치, 재구성 소프트웨어를 검증하기 위해.
• 0.2–6 GeV/c 운동량 범위 내에서 뮤온의 높은 재구성 효율성과 전하 식별 효율성을 확보하여 정확한 단면적 비율 측정을 지원하기 위해.

제안 방법

• Baby MIND는 뮤온 궤도 곡률과 자기장 내 위치를 측정하기 위해 33개의 교차 자석화된 철 판과 18개의 스цин티레이터 평면을 사용한다.
• 스цин티레이터 바(30 mm 및 210 mm 너비)는 파장 이동 섬유와 하마마츠 S12571-025C 다중픽셀 광카운터(MPPC)로 읽는다.
• 32채널 CITIROC 애널로그-디지털 변환기(ASIC)를 3개 장착한 프론트엔드 보드(FEB)가 각 채널당 40 MS/s 속도로 신호를 디지털화하며, FPGA 기반 제어 및 USB/기가비트 이더넷을 통한 서브 제어를 수행한다.
• SaRoMaN 소프트웨어 스위트는 GEANT4와 GENIE 시뮬레이션을 사용하여 시뮬레이션, 재구성, 데이터 처리를 수행하며, GDML 기반 기하 구조 기술을 사용한다.
• 재구성은 히트 위치와 자기장 정보를 기반으로 궤적 파ram터 추정을 향상시키기 위해 칼만 필터 기반의 RecPack 패키지를 사용한다.
• CERN의 T9 비드 라인에서 실시한 시험 비드를 통해 200 MeV/c에서 10 GeV/c까지의 뮤온과 피온을 이용하여 전자기기, DAQ, 소프트웨어의 성능을 검증하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 0.2–6 GeV/c 운동량 범위 내에서 자석화된 철 분광계가 뮤온에 대해 높은 재구성 효율성을 달성할 수 있는가?
• RQ2 자기장을 통과하는 뮤온에 대해 Baby MIND 검출기의 전하 식별 효율성은 얼마인가?
• RQ3 MPPC와 FEB를 포함한 통합 읽기 전자기기 시스템이 고속도 비드 환경에서도 뮤온 궤적을 신뢰성 있게 재구성할 수 있는가?
• RQ4 SaRoMaN 소프트웨어 스위트는 시뮬레이션 및 실제 비드 데이터를 사용하여 뮤온 궤적을 얼마나 잘 재구성하는가?
• RQ5 검출기 성능이 WAGASCI 실험에서 정밀한 단면적 비율 측정 요구 조건을 얼마나 충족하는가?

주요 결과

• 검출기 축에 정렬된 단일 뮤온 펜치 비드의 재구성 효율성이 0.2–6 GeV/c 전 범위에서 95% 이상을 초과한다.
• 동일한 뮤온 비드 구성에서 전하 식별 효율성이 0.2–6 GeV/c 운동량 범위 내에서 90% 이상이다.
• CERN의 T9 비드 라인에서 실시한 시험 비드를 통해 FEB, MPPC, 데이터 수집 시스템을 포함한 전체 읽기 체인의 특성을 성공적으로 특성화하였다.
• SaRoMaN 소프트웨어 스위트는 일관된 GDML 기반 기하 모델을 사용하여 시뮬레이션 및 실제 비드 데이터 처리에서 뛰어난 성능을 보였다.
• 검출기 제작은 2017년 5월에 완료되었으며, 이후 2017년 6월에 전체 검출기 시험 비드가 실시되었고, 2017년 7월에 J-PARC로 운반될 예정이었다.
• Baby MIND의 WAGASCI 실험에의 통합은 2017년 가을에 계획되어 있으며, 이로써 물과 스цин티레이터에서의 중성미자 단면적 비율에 대한 고정밀 측정이 가능해진다.