[논문 리뷰] New Methods and Simulations for Cosmogenic Induced Spallation Removal in Super-Kamiokande-IV

Kamiokande Collaboration, S. Locke외 218명|arXiv (Cornell University)|2021. 11. 30.

Neutrino Physics Research참고 문헌 4인용 수 6

한 줄 요약

이 논문은 슈퍼카미오카인-IV에서 우주선에 의한 스파라티션 사건을 식별하고 제거하기 위한 새로운 방법과 시뮬레이션 기법을 제시한다. 잔류 전하와 종방향 거리의 고급 PDF 모델링을 통해 신호와 배경을 구분한다. 이 방법은 다중 성분 지수 및 가우시안 분포를 사고 사건 특성에 적합시켜 배경 억제를 향상시키며, 뉴트리노 진동 및 희귀 과정 탐색에서 감도를 향상시킨다.

ABSTRACT

Radioactivity induced by cosmic muon spallation is a dominant source of backgrounds for $\mathcal{O}(10)~$MeV neutrino interactions in water Cherenkov detectors. In particular, it is crucial to reduce backgrounds to measure the solar neutrino spectrum and find neutrino interactions from distant supernovae. In this paper we introduce new techniques to locate muon-induced hadronic showers and efficiently reject spallation backgrounds. Applying these techniques to the solar neutrino analysis with an exposure of $2790 imes22.5$~kton.day increases the signal efficiency by $12.6\%$, approximately corresponding to an additional year of detector running. Furthermore, we present the first spallation simulation at SK, where we model hadronic interactions using FLUKA. The agreement between the isotope yields and shower pattern in this simulation and in the data gives confidence in the accuracy of this simulation, and thus opens the door to use it to optimize muon spallation removal in new data with gadolinium-enhanced neutron capture detection.

연구 동기 및 목표

• 슈퍼카미오카인-IV에서 우주선에 의한 스파라티션 배경을 줄이기 위해, 이는 저에너지 뉴트리노 신호를 모방하고 진동 및 희귀 과정 연구의 감도를 떨어뜨린다.
• 사고 구조와 전하 침식 특성을 이용해 스파라티션 사건과 진짜 뉴트리노 상호작용을 구분할 수 있는 강력하고 데이터 기반의 방법을 개발하기 위해.
• 잔류 전하와 종방향 거리의 확률 밀도 함수(PDF)를 다중 성분 함수로 모델링하여 배경 거부를 향상시키기 위해.
• 우주선 유도 스파라티션으로 인한 잘못된 양성 사건을 최소화함으로써 장거리 뉴트리노 진동 및 양성자 붕괴 탐색에서 더 정밀한 측정을 가능하게 하기 위해.
• 미래 슈퍼카미오카인 데이터 수집 단계에 적용 가능한 체계적이고 피팅 기반의 배경 제거 프레임워크를 제공하기 위해.

제안 방법

• 잔류 전하 PDF를 양성 Q_res에 대해 다섯 개의 지수 함수의 합으로 모델링하며, 데이터에서 유도된 피팅 파라미터 c_i와 p_i를 사용한다.
• 해석적 형태를 가정하지 않아 음성 잔류 전하에 대해 네 개의 이산 점 사이의 선형 보간을 사용한다.
• 스파라티션 사건의 비대칭 분포를 포착하기 위해 종방향 거리 Δl_long에 삼중 가우시안 혼합 모델을 적용한다.
• 전이점 l_t0²에서 전환되는 조각별 PDF를 정의하며, l_t² > l_t0² 영역에서는 지수 감쇠에 이차 보정을 적용한다.
• 총 21개의 피팅 영역을 위해 잔류 전하 7개 밴과 시간 범위 3개에 걸쳐 스파라티션 및 무작위 동시 사건에 대해 별도의 PDF 피팅을 수행한다.
• 식 (18)과 (19)을 사용하여 스파라티션 및 무작위 동시 사건의 PDF를 각각 지수 함수와 조각별 지수 함수로 모델링한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 어떻게 슈퍼카미오카인-IV에서 우주선에 의한 스파라티션 사건을 진짜 뉴트리노 상호작용과 효과적으로 구분할 수 있는가?
• RQ2 스파라티션 및 무작위 동시 사건의 잔류 전하와 종방향 거리 분포를 가장 잘 기술하는 기능 형태는 무엇인가?
• RQ3 시간 의존성과 전하 밴 분해상 PDF를 포함함으로써 배경 억제는 어떻게 향상되는가?
• RQ4 다중 성분 지수 및 가우시안 모델을 사용할 경우 저에너지 뉴트리노 분석에서 잘못된 양성률은 얼마나 감소하는가?
• RQ5 검출기 기하학적 제약 조건이 존재하는 상황에서 신호 대 배경 분류를 최대화하기 위해 PDF의 최적 파arameterization은 무엇인가?

주요 결과

• 스파라티션 잔류 전하 PDF는 표본 10에 나열된 다섯 개의 지수 함수의 합으로 가장 잘 모델링된다.
• 음성 잔류 전하에 대해서는 네 개의 이격된 점 사이의 선형 보간을 통해 PDF가 재구성되며, 이 값은 각각 -100에서 -7.5 kpe 사이에서 10⁻⁶에서 0.34053 사이의 범위를 가진다.
• 스파라티션 사건의 종방향 거리 Δl_long는 진폭이 989.8, 1185, 254.6이고, 폭이 각각 0.9217, 1.852, 13.49 m인 삼중 가우시안 혼합으로 잘 기술된다.
• 무작위 동시 사건은 l_t0²에서 전이되는 조각별 PDF로 모델링되며, l_t² > l_t0² 영역에서는 지수 감쇠에 이차 보정을 적용한다.
• 스파라티션 및 무작위 PDF의 피팅 파라미터는 표본 9, 10, 12에 제공되며, 총 21개의 별도 피팅 영역에서 정밀한 배경 모델링이 가능하다.
• 이 방법은 스파라티션 및 무작위 사건의 비균일하고 비정규 분포를 정확히 모델링함으로써 배경 억제를 향상시킨다.