[논문 리뷰] LBNO-DEMO: Large-scale neutrino detector demonstrators for phased performance assessment in view of a long-baseline oscillation experiment

L. Agostino, B. Andrieu외 113명|arXiv (Cornell University)|2014. 09. 14.

Neutrino Physics Research인용 수 41

한 줄 요약

이 논문은 향후 장거리 기준 중성자율 실험을 위한 단계별 성능 평가를 목적으로 설계된 대규모 액체 헬륨 중성자율 탐지기 시범 프로젝트인 LBNO-DEMO를 제시한다. 시뮬레이션된 뮤온 붕괴를 통해 중성자율 상호작용 빈도, 에너지 스펙트럼, 그리고 단면적 측정을 평가하며, NuSTORM 빔 개념으로 인해 잘 정의된 빔 특성과 높은 통계로 인해 $ν_e$ 및 $ar{\nu}_e$ 단면적 측정의 정밀도가 높고 체계적 오차가 낮다는 것을 입증한다.

ABSTRACT

In June 2012, an Expression of Interest for a long-baseline experiment (LBNO) has been submitted to the CERN SPSC. LBNO considers three types of neutrino detector technologies: a double-phase liquid argon (LAr) TPC and a magnetised iron detector as far detectors. For the near detector, a high-pressure gas TPC embedded in a calorimeter and a magnet is the baseline design. A mandatory milestone is a concrete prototyping effort towards the envisioned large-scale detectors, and an accompanying campaign of measurements aimed at assessing the detector associated systematic errors. The proposed $6 imes 6 imes 6$m$^3$ DLAr is an industrial prototype of the design discussed in the EoI and scalable to 20 kton or 50~kton. It is to be constructed and operated in a controlled laboratory and surface environment with test beam access, such as the CERN North Area (NA). Its successful operation and full characterisation will be a fundamental milestone, likely opening the path to an underground deployment of larger detectors. The response of the DLAr demonstrator will be measured and understood with an unprecedented precision in a charged particle test beam (0.5-20 GeV/c). The exposure will certify the assumptions and calibrate the response of the detector, and allow to develop and to benchmark sophisticated reconstruction algorithms, such as those of 3-dimensional tracking, particle ID and energy flow in liquid argon. All these steps are fundamental for validating the correctness of the physics performance described in the LBNO EoI.

연구 동기 및 목표

• 향후 장거리 기준 중성자율 진동 실험을 위한 준비를 위해 대규모 액체 헬륨 중성자율 탐지기 프로토타입을 개발하고 테스트하는 것.
• NuSTORM 기반 빔을 이용해 $ν_e$ 및 $\bar{\nu}_e$ 단면적 측정의 가능성을 평가하는 것.
• 특히 $\nu_e/\nu_\mu$ 단면적 비율에 초점을 맞춰 중성자율 조사율과 상호작용 빈도의 체계적 오차를 평가하는 것.
• LAGUNA/LBNO 냉각기구 설계에 전면적 APA(활동 비례 카운터) 탐지기를 통합하는 것.

제안 방법

• $10^{16}$개의 뮤온 붕괴를 시뮬레이션하여 액체 헬륨 탐지기 내에서 $\nu_\mu$, $\bar{\nu}_e$, $\bar{\nu}_\mu$, $\nu_e$ 상호작용에 대한 중성자율 조사율을 생성하는 것.
• 세부적인 몬테카를로 시뮬레이션을 사용하여 다양한 중성자율 성분에 대해 이벤트 빈도, 평균 중성자율 에너지, 상호작용 유형(통합, CC, CCQE)을 예측하는 것.
• 6×6×6 m³ 냉각기구 용기 내에 전체 규모의 LBNE 스타일 APA 탐지기(7.20 m × 7.48 m × 5.16 m)의 설계 및 통합 연구를 수행하는 것.
• 고전압 통과부, 음극판, 열격리 지지 캡 등의 기계적 및 전기적 통합 과제를 평가하는 것.
• NuSTORM와 CENF 빔 간의 빔 특성 비교를 통해 더 잘 정의된 에너지, 조사율, 중성자율 대 반중성자율 비율을 강조하는 것.
• $\nu_\mu$ 및 $\bar{\nu}_e$ 상호작용의 예상 이벤트 빈도와 평균 에너지를 비교: $\nu_\mu$는 평균 에너지 2.82 GeV에서 97,251건의 이벤트, $\bar{\nu}_e$는 평균 에너지 2.51 GeV에서 34,794건의 이벤트.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 대규모 액체 헬륨 탐지기 시범 장치는 향후 장거리 기준 중성자율 진동 실험의 성능을 정확하게 시뮬레이션할 수 있는가?
• RQ2 $10^{16}$개의 뮤온 붕괴에서 발생하는 $\nu_\mu$, $\bar{\nu}_e$, $\bar{\nu}_\mu$, $\nu_e$ 상호작용의 예상 이벤트 빈도와 평균 중성자율 에너지는 각각 얼마인가?
• RQ3 NuSTORM와 CENF 빔 간의 중성자율 조사율과 단면적 측정의 체계적 오차는 어떻게 비교되는가?
• RQ4 6×6×6 m³ 냉각기구에 전체 규모의 LBNE 스타일 APA 탐지기를 통합하는 것은 가능한가?
• RQ5 $\nu_e/\nu_\mu$ 단면적의 차이가 CP 위반 및 질량 계단 측정의 발견 잠재력에 어떤 영향을 미치는가?

주요 결과

• $10^{16}$개의 $\mu^{-}$ 붕괴에서 $\nu_\mu$ 상호작용의 예상 수는 평균 에너지 2.82 GeV에서 97,251건이며, $\bar{\nu}_e$는 평균 에너지 2.51 GeV에서 34,794건이다.
• $\nu_\mu$의 CCQE 상호작용 비율은 통합 샘플의 24.0%이며, 평균 에너지는 2.60 GeV이다.
• $10^{16}$개의 $\mu^{+}$ 붕괴에서 $\bar{\nu}_\mu$ 상호작용는 평균 에너지 2.86 GeV에서 40,328건의 이벤트를, $\nu_e$ 상호작용는 평균 에너지 2.46 GeV에서 86,074건의 이벤트를 낳는다.
• NuSTORM 빔은 CENF에 비해 훨씬 더 크고 잘 정의된 $\nu_e$ 및 $\bar{\nu}_e$ 상호작용 샘플(최대 $\bar{\nu}_e$ CCQE의 32%)을 제공하며, CENF에서는 $\nu_e$ 조사율이 총량의 1.7%에 불과하다.
• 맞춤형 제거 가능한 열격리 캡을 포함한 소량의 수정으로 LBNE APA 탐지기를 LAGUNA/LBNO 냉각기구에 통합하는 것은 가능하다.
• NuSTORM 빔의 잘 정의된 에너지 척도와 중성자율 대 반중성자율 비율은 체계적 오차를 크게 감소시켜 CP 위반 및 질량 계단 연구에 핵심적인 $\nu_e/\nu_\mu$ 단면적 차이의 정밀 측정을 가능하게 한다.