[논문 리뷰] LArIAT: Liquid Argon In A Testbeam

J. Paley, Daniel Gastler외 65명|arXiv (Cornell University)|2014. 06. 21.

Neutrino Physics Research참고 문헌 15인용 수 24

한 줄 요약

LArIAT는 미국 에너지부 페르미랩에서 액체 neon 시간 영역 카메라(LArTPC) 검출기를 보다 정밀하게 校정하고 특성화하기 위해 전용 시험 비드 프로그램을 제안한다. 이는 알려진 입자 비드(0.2–2.0 GeV)를 이용한 것으로, 뉴트리노 물리 측정을 향상시키는 데 목적이 있다. Phase-1에서는 ArgoNeuT 냉각기와 그 내부의 170L 활성 부피를 갖춘 LArTPC를 재사용하고, 전자기기와 빛 읽기 시스템을 업그레이드함으로써 입자 식별, 에너지 손실 및 캘로리메트리 측정을 정밀하게 연구할 수 있게 된다. 이는 MicroBooNE, SBN 프로그램 및 향후 장거리 기반 실험(LBNE)에 필수적이다.

ABSTRACT

Liquid Argon Time Projection Chambers (LArTPCs) are ideal detectors for precision neutrino physics. These detectors, when located deep underground, can also be used for measurements of proton decay, and astrophysical neutrinos. The technology must be completely developed, up to very large mass scales, and fully mastered to construct and operate these detectors for this physics program. As part of an integrated plan of developing these detectors, accurate measurements in LArTPC of known particle species in the relevant energy ranges are now deemed as necessary. The LArIAT program aims to directly achieve these goals by deploying LArTPC detectors in a dedicated calibration test beam line at Fermilab. The set of measurements envisaged here are significant for both the short-baseline (SBN) and long-baseline (LBN) neutrino oscillation programs in the US, starting with MicroBooNE in the near term and with the adjoint near and far liquid argon detectors in the Booster beam line at Fermilab envisioned in the mid-term, and moving towards deep underground physics such as with the long-baseline neutrino facility (LBNF) in the longer term.

연구 동기 및 목표

• 미국 내 단거리 및 장거리 뉴트리노 진동 프로그램을 위한 LArTPC 검출기의 정밀 캘리브레이션 제공
• 0.2–2.0 GeV 범위 내 핵심 입자(e±, μ±, π±, K±, p, p̄)의 입자 식별 및 에너지 반응 측정
• 알려진 입자 비드에서의 실제 데이터를 이용해 시뮬레이션 도구 및 재구성 소프트웨어 검증
• 에너지 해상도 향상을 위한 이온화, 형광, 위상적 방법 등 다양한 캘로리메트리 방법 개발 및 테스트
• 향후 실험(LBNE 및 양성자 붕괴 탐색 등)을 위한 대규모 LArTPC 배치 준비

제안 방법

• 550L의 ArgoNeuT 냉각기와 그 내부 170L 활성 부피를 갖춘 LArTPC를 Phase-1 테스트에 재사용
• MicroBooNE 설계 기반의 업그레이드된 저노이즈 냉각 전자기기 설치로 신호 읽기 향상
• 냉각기 내부에 광센서를 사용하는 고효율 형광 빛 읽기 시스템 통합
• 저운동량(0.2–2.0 GeV)의 알려진 종류와 에너지를 갖춘 입자를 공급하기 위해 전용 페르미랩 시험 비드 시설 비드 라인 사용
• 고속 디지타이저를 위한 상용 기반의 유연하고 고속률 DAQ 및 트리거 시스템 구현
• 비드 입자 특성을 정밀하게 측정하기 위해 웨어 침대, TOF 카운터, 케렌코프 카운터, 형광체 배열 등의 비드 특성 측정 검출기 활용

실험 결과

연구 질문

• RQ1 LArTPC는 0.2–2.0 GeV 에너지 범위 내 전자, 뮤온, 파이온, 카이온, 양성자를 얼마나 정확하게 식별할 수 있는가?
• RQ2 다양한 입자 종류와 에너지에서 이온화 및 형광 신호의 해상도와 반응은 어떠한가?
• RQ3 LArTPC는 전자기 쇼워를 얼마나 잘 재구성할 수 있으며, 전자를 광자와 어떻게 구분할 수 있는가?
• RQ4 자기장 없이도 종단점 캡처 또는 붕괴 구조를 이용해 뮤온의 전하를 결정할 수 있는가?
• RQ5 주어진 크기의 검출기에서 하드론 에너지의 몇 퍼센트가 포함되는가? 이는 캘로리메트리 캘리브레이션에 어떻게 影향을 미치는가?

주요 결과

• 비드 출발점에서 횡방향 치수 ≥1 m, 종방향 치수 ≥3 m인 검출기에서는 평균 충전된 π 중입자 에너지의 90%를 포함한다.
• 최소 20%의 π 중입자에서 95%의 에너지가 횡방향 1m, 종방향 3m 부피 내에 포함된다.
• ArgoNeuT의 냉각기와 업그레이드된 전자기기를 재사용한 LArIAT Phase-1 검출기는 입자 식별 및 에너지 손실의 고정밀 측정을 가능하게 한다.
• 이온화, 형광 및 위상 정보의 조합은 LArTPC에서 최적의 에너지 재구성에 기여한다.
• 시험 비드 환경은 몬테카를로 예측에만 의존하지 않고 실제 시뮬레이션 도구 및 재구성 소프트웨어의 직접 검증을 가능하게 한다.
• Phase-2는 이러한 연구를 더 큰 규모의 LArTPC 구성으로 확장하여 전체 캘로리메트리 캘리브레이션 및 천체배경 연구를 가능하게 할 것이다.