[논문 리뷰] EMPHATIC: A proposed experiment to measure hadron scattering and productioncross sections for improved neutrino flux predictions

T. Akaishi, L. Aliaga-Soplin외 48명|arXiv (Cornell University)|2019. 12. 18.

Astrophysics and Cosmic Phenomena참고 문헌 4인용 수 11

한 줄 요약

EMPHATIC 컨sortium는 페르미랩 고정표적 beam 시설에서 4–120 GeV/c의 저-중간 beam 동역량에서 양성자 및 파이온의 낙관 반응 및 산란 단면적을 정밀한 트래킹, 체렌코프 입자 식별, 시간별 비행 시간 시스템을 활용해 측정할 수 있는 컴act하고 고속의 실험을 제안한다. 이러한 측정은 T2K, NOvA, Hyper-K, DUNE와 같은 장거리 뉘트리노 실험에서의 체계적 정확도를 직접 향상시키기 위해 뉘트리노 조사 예측 불확실성을 두 배로 줄이는 것을 목표로 한다.

ABSTRACT

Hadron scattering and production uncertainties are a limiting systematic on accelerator and at-mospheric neutrino flux predictions. New hadron measurements are necessary for neutrino fluxpredictions with well-understood and reduced uncertainties. We propose a new compact experimentto measure hadron scattering and production cross sections at beam energies that are inaccessibleto currently operating experiments. These measurements can reduce the current 10% neutrino fluxuncertainties by an approximate factor of two.

연구 동기 및 목표

• 현재 낙관 산란 및 생성 단면적 불확실성으로 인해 제한되고 있는 가속기 뉘트리노 조사 예측의 체계적 불확실성을 향상시키기.
• 31 GeV/c 이하의 beam 동역량에서 기존 실험이 제한된 데이터 격차를 해소하기.
• 뉘트리노 조사 생성에 관련된 탄소, 알루미늄, 철 등 다양한 목표물에서 낙관 상호작용에 대한 고통계, 고정밀도 데이터 수집하기.
• 현재 및 향후 장거리 진동 실험의 뉘트리노 조사 모델링 불확실성 감소를 가능하게 하기.
• 잘 校정된 낙관 상호작용 데이터를 제공함으로써 고에너지 물리학 및 뉘트리노 물리학 공동체 전반을 지원하기.

제안 방법

• 페르미랩 고정표적 beam 시설(FTBF)을 활용해 4–120 GeV/c 범위의 프로톤 및 파이온 beam을 탄소, 알루미늄, 철, 베릴륨, 볼륨, BN, B2O3, 수소, calcium, 수은, 티타늄 등의 다양한 핵표적에 노출시키기.
• 2차 입자의 정밀한 트래킹 및 운동량 측정을 위해 실리콘 스트립 검출기로 구성된 컴팩트한 스펙트로미터 설계하기.
• 최종 단계에서 15 GeV/c 이하까지 입자 식별을 위한 비드 및 하류에 위치한 체렌코프 검출기와 시간별 비행 시간 시스템 통합하기.
• 단계별로 운영 계획 수립: 1단계(2020년)에서는 빌린 소형 수용각도 자석과 부분적 트래킹 적용; 2단계(2021년)에서는 전체 수용각도 자석과 대형 면적 실리콘 스트립 적용; 3단계(2022년)에서는 확장된 RICH를 통해 더 높은 PID 운동량 범위 확보하기.
• 데이터 수집 효율을 극대화하기 위해 단순한 고속 트리거 적용하여, 각 설정에서 수천 건의 상호작용을 몇 시간 내에 수집하기.
• 기존 검출기 기술과 검증된 설계를 활용해 R&D 비용을 최소화하고 실험적 위험을 감소시키기.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 4–120 GeV/c 범위의 beam 동역량에서 경량 및 중량 핵표적에 대한 프로톤 및 파이온의 낙관 생성 및 산란 단면적은 각각 얼마인가?
• RQ2 현재 낙관 상호작용 모델의 불확실성이 장거리 뉘트리노 실험에서 뉘트리노 조사 예측 정확도를 얼마나 제한하는가?
• RQ3 현재 실험에서 접근이 어려운 저에너지 beam 조건에서의 새로운 측정은 전체 뉘트리노 조사 불확실성을 얼마나 줄일 수 있는가?
• RQ4 기존 검출기 기술을 활용한 컴팩트하고 고속의 실험으로 낙관 단면적 측정에서 백분율 수준의 정밀도를 달성할 수 있는가?
• RQ5 측정된 단면적은 겹치는 beam 에너지 범위에서 기존 모델 및 데이터와 어떻게 비교되는가?

주요 결과

• 실험은 뉘트리노 조사 예측 불확실성을 약 두 배로 줄일 것으로 예상되며, 현재 약 10%에서 5% 수준으로 감소할 것이다.
• 2018년의 원형 실험 측정 결과는 몇 일의 beam 시간만으로도 고정밀도로 비탄성 산란 단면적을 측정할 수 있음을 입증하였다.
• 1단계(2020년)에서는 70개의 서로 다른 beam-종류, beam 운동량, 표적 조합에 대한 데이터를 수집하며, 산란 및 저수용률 생성에 집중할 것이다.
• 2단계에서는 향상된 트래킹 및 입자 식별 기능을 통해 8 GeV/c 이하까지 전체 수용각도 측정 범위를 확장할 것이다.
• 3단계에서는 하류 RICH 시스템에 고굴절률 기체를 사용해 입자 식별 범위를 15 GeV/c까지 확장할 것이다.
• 숙련된 검출기 기술, 컴팩트한 설계, 단순한 트리거를 통한 고효율 데이터 수집 덕분에 실험은 낮은 위험도를 가진다.