[논문 리뷰] Calibration of the Charge and Energy Response of the MicroBooNE Liquid Argon Time Projection Chamber using Muons and Protons

C. Adams, J. Nowak외 186명|arXiv (Cornell University)|2020. 03. 24.

Muon and positron interactions and applications인용 수 6

한 줄 요약

이 논문은 마이크로부른의 액체 헬륨 타임 프로젝션 카트리지에서의 위치 및 시간에 의존하는 신호 응답 변화를 보정하기 위한 데이터 기반 캘리브레이션 방법을 제시한다. 이는 천체선 뮤온과 빔 유도 뮤온 및 프로톤을 사용하여 보정하며, 절대 에너지 스케일 불확도를 3%로 줄이고 고이온화 입자에 대한 에너지 손실 및 입자 식별 정확도를 향상시킨다.

ABSTRACT

We describe a method used to calibrate the position- and time-dependent response of the MicroBooNE liquid argon time projection chamber anode wires to ionization particle energy loss. The method makes use of crossing cosmic-ray muons to partially correct anode wire signals for multiple effects as a function of time and position, including misconfigured or cross-connected TPC wires, space charge effects, electron attenuation, diffusion, and recombination. The overall energy scale is then determined using fully-contained beam-induced muons originating and stopping in the active region of the detector. Using this method, we obtain an absolute energy scale uncertainty of 3\% in data. We use stopping protons to further refine the relation between the measured charge and the energy loss for highly-ionizing particles. This data-driven detector calibration improves both the measurement of total deposited energy and particle identification based on energy loss per unit length as a function of residual range.

연구 동기 및 목표

• 마이크로부른 액체 헬륨 타임 프로젝션 카트리지에서 이온화 에너지 손실에 기인한 애노드 와이어 신호의 위치 및 시간에 의존하는 왜곡을 해결하기 위해.
• 전자 감쇠, 확산, 재결합, 스페이스 차지, 와이어 오설정 등의 다수의 검출기 효과를 보정하기 위해.
• 활성 부피 내에서 정지하는 완전히 봉인된 빔 유도 뮤온을 사용하여 정밀한 절대 에너지 스케일을 수립하기 위해.
• 정지하는 프로톤을 사용하여 고이온화 입자에 대한 전하-에너지 응답을 보정하고, dE/dx 응답 모델을 개선하기 위해.
• 잔류 범위 함수에 따른 에너지 손실 기반 총 침착 에너지 측정 및 입자 식별 정확도를 향상시키기 위해.

제안 방법

• 횡단하는 천체선 뮤온을 사용하여 TPC 애노드 와이어 전역에서 시간 및 위치에 의존하는 신호 왜곡을 식별하고 보정한다.
• 뮤온 데이터를 활용하여 잘못 설정되거나 교차 연결된 와이어, 전자 감쇠, 확산, 재결합 효과를 보정한다.
• 활성 검출 부피 내에서 시작하고 정지하는 완전히 봉인된 뮤온을 분석하여 절대 에너지 스케일을 수립한다.
• 정지하는 프로톤을 사용하여 고이온화 입자에 대한 전하 응답을 캘리브레이션하고, dE/dx 응답 모델을 향상시킨다.
• 시뮬레이션 전용 모델에 의존하지 않고 데이터 기반 접근 방식을 사용하여 전하-에너지 관계를 유도한다.
• 잔류 범위에 따른 측정된 dE/dx 값과 기대 에너지 손실을 비교하여 캘리브레이션을 검증한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 천체선 뮤온을 사용하여 마이크로부른 LArTPC의 위치 및 시간에 의존하는 신호 왜곡을 어떻게 보정할 수 있는가?
• RQ2 활성 부피 내에서 정지하는 빔 유도 뮤온을 사용할 경우 절대 에너지 스케일의 도달 가능한 불확도는 얼마인가?
• RQ3 프로톤과 같은 고이온화 입자에 대한 전하 응답은 기대 에너지 손실 값과 어떻게 비교되는가?
• RQ4 캘리브레이션은 총 침착 에너지 측정 정확도를 어느 정도 향상시키는가?
• RQ5 정지하는 프로톤을 사용하여 잔류 범위 함수에 따른 dE/dx 응답을 신뢰성 있게 캘리브레이션할 수 있는가?

주요 결과

• 캘리브레이션은 마이크로부른 LArTPC 애노드 와이어 응답의 위치 및 시간에 의존하는 신호 왜곡을 감소시킨다.
• 활성 부피 내에서 정지하는 빔 유도 뮤온을 사용하여 총 불확도 3%로 절대 에너지 스케일을 확립한다.
• 정지하는 프로톤을 사용하여 고이온화 입자에 대한 전하-에너지 응답을 보정하고, dE/dx 측정을 향상시킨다.
• 데이터 기반 캘리브레이션은 검출기 내에서 총 침착 에너지 재구성의 정확도를 향상시킨다.
• 잔류 범위 함수에 따른 단위 길이당 에너지 손실 기반 입자 식별 정확도가 향상된다.
• 캘리브레이션은 뉴트리노 상호작용 분석에 핵심적인 이온화 에너지 손실 측정을 더 정밀하게 가능하게 한다.