[논문 리뷰] Measurement of the Spectral Function of $^{40}$Ar through the $(e,e^\prime p)$ reaction

Artur M. Ankowski, R. Beminiwattha외 29명|arXiv (Cornell University)|2014. 06. 16.

Particle physics theoretical and experimental studies인용 수 7

한 줄 요약

이 논문은 LBNE와 같은 뉴트리노 진동 실험에 핵심적인 역할을 하는 $^{40}$Ar의 스펙트럴 함수를 측정하기 위해 제프슨 랩에서 (e,e′p) 공진도 실험을 제안한다. 전자 산란을 통해 아르곤 내 중성자와 양성자의 운동량 및 에너지 분포를 조사함으로써, 뉴트리노-핵 반응 단면적 모델의 개선에 필수적인 정보를 제공하고, 진동 파rameter 측정의 체계적 오차를 줄이는데 목적이 있다.

ABSTRACT

The interpretation of the signals detected by high precision experiments aimed at measuring neutrino oscillations requires an accurate description of the neutrino-nucleus cross sections. One of the key element of the analysis is the treatment of nuclear effects, which is one of the main sources of systematics for accelerator based experiments such as the Long Baseline Neutrino Experiment (LBNE). A considerable effort is currently being made to develop theoretical models capable of providing a fully quantitative description of the neutrino-nucleus cross sections in the kinematical regime relevant to LBNE. The approach based on nuclear many-body theory and the spectral function formalism has proved very successful in explaining the available electron scattering data in a variety of kinematical conditions. The first step towards its application to the analysis of neutrino data is the derivation of the spectral functions of nuclei employed in neutrino detectors, in particular argon. We propose a measurement of the coincidence $(e,e^\prime p)$ cross section on argon. This data will provide the experimental input indispensable to construct the argon spectral function, thus paving the way for a reliable estimate of the neutrino cross sections. In addition, the analysis of the $(e,e^\prime p)$ data will help a number of theoretical developments, like the description of final-state interactions needed to isolate the initial-state contributions to the observed single-particle peaks, that is also needed for the interpretation of the signal detected in neutrino experiments.

연구 동기 및 목표

• 배제적 (e,e′p) 공진도 산란을 통해 $^{40}$Ar의 스펙트럴 함수를 측정하여 뉴트리노-핵 상호작용 모델에 필수적인 입력을 제공한다.
• 핵 효과가 주요 오차 원인인 장거리 기반 뉴트리노 실험인 LBNE와 같은 실험에서 체계적 오차를 줄인다.
• 핵 내 최종상태 상호작용 및 初기상태 운동량 분포에 대한 이론 모델을 시험하고 개선한다.
• 낮은 최종상태 상호작용(FSI) 운동역학에서 고통계 데이터를 확보하여 스펙트럴 함수 기여도를 정확하게 분리할 수 있도록 한다.
• 탄소 타겟과 가짜 타겟을 사용하여 빔 방향 조절, 루미노시티 모니터링, 절대 빠진 질량 캘리브레이션을 수행함으로써 실험 설정의 정밀도를 보장한다.

제안 방법

• 제프슨 랩의 전자 빔을 사용하여 2.2 GeV 빔 에너지에서 $^{40}$Ar 기체 타겟에서 배제적 (e,e′p) 공진도 측정을 수행한다.
• 광범위한 운동량 및 에너지 이송을 확보하기 위해 평행 및 반대 평행 운동역학을 활용하여 스펙트럴 함수의 광범위한 커버리지 확보.
• 기본 모델로 평면파 인력 근사(PWIA)를 사용한 후, 이론 모델을 활용해 최종상태 상호작용(FSI) 보정을 실시한다.
• 신호 대 배경 비율을 추정하고 데이터 수집 최적화를 위해 단일 및 공진도 레이트를 측정한다.
• 빔 방향 조절, 루미노시티 모니터링, 절대 빠진 질량 캘리브레이션을 위해 탄소 및 알루미늄 타겟을 사용한다.
• 통계적 및 체계적 오차에 대해 3%의 체계적 보정을 적용하며, 탄성 산란 단면적 측정을 통해 검증한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 스펙트럴 함수에 담긴 $^{40}$Ar 내 중성자 및 양성자의 운동량 및 에너지 분포는 어떠한가?
• RQ2 최종상태 상호작용이 관측된 (e,e′p) 단면적을 얼마나 왜곡시키며, 데이터에서 신뢰성 있게 추출할 수 있는가?
• RQ3 측정된 스펙트럴 함수는 액체 아르곤 검출기에서 준탄성 뉴트리노-핵 단면적을 얼마나 더 정확히 기술하는가?
• RQ4 단거리 상관관계로 인한 이중 중성자 방출 과정을 제약하기 위해 전자 산란에서 유도된 스펙트럴 함수를 사용할 수 있는가?
• RQ5 기존의 스펙트럴 함수 이론 모델은 LBNE에 관련된 운동역학 영역에서 측정된 (e,e′p) 단면적을 얼마나 잘 재현하는가?

주요 결과

• 2.2 GeV에서 9일간의 빔 시간을 요청하며, 이 중 1일은 캘리브레이션, 8일은 평행 및 반대 평행 운동역학에서 데이터 수집에 할애된다.
• 기대되는 공진도 레이트는 초당 약 250에서 약 25,000건이며, 단일 레이트는 최대 약 25,000 Hz에 이르며, 이는 높은 통계적 능력을 의미한다.
• 루미노시티는 $5.45 \times 10^{36}$ 원자 cm⁻² sec⁻¹로 추정되어 스펙트럴 함수 추출에 충분한 통계를 확보한다.
• 통계적 오차와 체계적 오차는 각각 3%로 추정되며, 오차를 제곱합의 제곱근으로 조합하여 총 오차 약 4.2%를 달성한다.
• 이 측정은 낮은 FSI 운동역학에서 아르곤에 대한 유일한 고통계 (e,e′p) 데이터 샘플을 제공하여 초기상태 스펙트럴 함수에 직접 접근할 수 있도록 한다.
• 결과는 액체 아르곤 검출기에서 뉴트리노 상호작용의 개선된 시뮬레이션을 가능하게 하여, LBNE 및 유사 실험에서 진동 파rameter 결정의 체계적 오차를 직접 줄이는 데 기여할 것이다.