[논문 리뷰] Tagged Neutron, Anti-neutron and K-Long beams in an Upgraded MIPP Spectrometer

R. Raja|ArXiv.org|2007. 01. 23.

Nuclear Physics and Applications인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 냉각된 수소 타겟에서의 비탄성 반응을 통해 태그된 중성자, 반중성자, $K^0_L$ 비드를 생성하기 위해 업그레이드된 MIPP 분광계를 제안한다. 에너지 해상도가 2% 미만인 제약 조건을 적용하여 4-모멘텀을 재구성함으로써, 이 설정은 입자 흐름 알고리즘 연구를 위한 칼로리메터 정밀 校정을 가능하게 하며, 하루에 수만 개의 태그된 중성입자를 확보할 수 있다.

ABSTRACT

The MIPP experiment operating with an upgraded data acquisition system will be capable of acquiring data at the rate of 3000 events per second. Currently we are limited to a rate of 30 Hz due to the bottlenecks in the data acquisition electronics of the Time Projection Chamber (TPC). With the speeded up DAQ, MIPP will be capable of acquiring data at the rate of $\approx$5 million events per day. This assumes a conservative beam duty cycle of 4~sec spill every 2 minutes with a 42% downtime for main injector beam manipulations for the $\bar{p}$ source. We show that such a setup is capable of producing tagged neutron, anti-neutron and $K^0_L$ beams that are produced in the MIPP cryogenic hydrogen target using proton, anti-proton and $K^{\pm}$ beams. These tagged beams can be used to study calorimeter responses for use in studies involving the Particle Flow Algorithm (PFA). The energy of these tagged beams will be known to better than 2% on a particle by particle level by means of constrained fitting. We expect a tagged beam rate in the tens of thousands a day. The MIPP spectrometer thus offers a unique opportunity to study the response of calorimeters to neutral particles.

연구 동기 및 목표

• 칼로리메터 반응 연구를 위해 고속도로 태그된 중성입자(중성자, 반중성자, $K^0_L$)를 생산할 수 있도록 하기.
• 하드론 칼로리메터에서 입자 흐름 알고리즘(PFA) 개발을 위한 칼로리메터 校정 정확도를 향상시키기.
• 고속도로 데이터 수집 시스템에서 제약 조건 피팅 기법을 활용하여 개별 입자 기반으로 에너지를 2% 미만의 정밀도로 결정하기.
• 업그레이드된 MIPP 분광계의 3000 Hz 데이터 수집 속도와 일일 500만 건의 이벤트 처리 능력을 활용하여 핵 타겟에서의 고정밀 하드로생산 데이터를 수집하기.
• 생산 시점에서 순수한 $K^0$ 및 $\bar{K}^0$ 상태를 가진 $K^0_L$ 비드의 잠재력을 고려하여 향후 CP 위반 연구에 활용 가능성을 탐색하기.

제안 방법

• 냉각된 액체 수소 타겟을 사용하여 태그된 중성자, 반중성자, $K^0_L$ 입자를 생성하는 비탄성 반응을 가능하게 한다.
• 포메론 교환를 통한 입사 비드 반응, 예를 들어 $pp \rightarrow n\pi^+p$, $K^+p \rightarrow \bar{K}^0\pi^+p$, $K^-p \rightarrow K^0\pi^-p$, $\bar{p}p \rightarrow \bar{n}\pi^-p$ 를 활용한다.
• 알려진 입사 비드 운동량과 타겟 프로톤 질량을 이용해 4-모멘텀을 재구성하기 위해 제약 조건 피팅(4-C 피팅)을 적용하며, 에너지 해상도가 2% 미만이 되도록 한다.
• 차이 Cherenkov 카운터와 시간 도래 측정 시스템을 사용해 입사 비드 종류(프로톤, 반프로톤, 카이온)를 식별하고 특정 비드에 대한 트리거를 유도한다.
• 3000 Hz 이벤트 속도를 유지할 수 있도록 업그레이드된 데이터 수집 시스템을 구현하며, 2분마다 4초 간격의 스플릿을 통해 일일 약 500만 건의 이벤트를 처리할 수 있도록 한다.
• 기존 칼로리메터를 ILC 테스트 칼로리메터로 교체하여 제어된 비드 환경에서 중성입자 반응을 연구한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 고속도로, 고수용률 분광계가 칼로리메터 校정에 필요한 정밀도로 태그된 중성입자(중성자, 반중성자, $K^0_L$)를 생성할 수 있는가?
• RQ2 측정된 입자 운동량과 입사 비드 조건을 기반으로 제약 조건 피팅이 재구성된 중성입자 운동량의 에너지 불확실성을 얼마나 줄일 수 있는가?
• RQ3 다양한 입사 비드 운동량(10–60 GeV/c)에서 태그된 $K^0_L$, 중성자, 반중성자 비드의 예상 이벤트 수율은 얼마인가?
• RQ4 핵 타겟에 비해 액체 수소 타겟이 제약 조건 피팅의 실현 가능성에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 태그된 $K^0_L$ 비드가 생산 시점에서 순수한 $K^0$ 또는 $\bar{K}^0$ 상태를 가지며, 향후 CP 위반 연구에 활용 가능한가?

주요 결과

• 업그레이드된 MIPP 분광계는 약 3000 Hz의 데이터 수집 속도를 확보하며, 2분마다 4초 간격의 스플릿을 통해 하루 약 500만 건의 이벤트를 처리하고, 정지 시간은 약 42%이다.
• 제약 조건 피팅을 통해 개별 입자 기반으로 에너지 해상도가 2% 미만인 태그된 중성자, 반중성자, $K^0_L$ 비드를 생성할 수 있다.
• $K^+p \rightarrow pK^0_L\pi^+$ 반응에서 60 GeV/c 입사 비드 운동량일 경우 예상 이벤트 수율은 약 일일 15,750 건이다.
• $K^-p \rightarrow pK^0_L\pi^-$ 반응에서 30 GeV/c 입사 비드 운동량일 경우 이벤트 수율은 약 일일 14,175 건으로 최고에 도달한다.
• $\bar{p}p \rightarrow p\bar{n}\pi^-$ 반응에서 60 GeV/c 입사 비드 운동량일 경우 이벤트 수율은 약 일일 13,550 건에 이른다.
• $K^0_L$ 비드는 생산 시점에서 순수한 $K^0$ 및 $\bar{K}^0$ 상태로 생성되며, 향후 CP 위반 연구에 잠재적인 기회를 제공한다.