[논문 리뷰] The CAPTAIN Detector and Physics Program

The CAPTAIN Collaboration, H. Berns외 45명|arXiv (Cornell University)|2013. 09. 06.

Neutrino Physics Research참고 문헌 9인용 수 23

한 줄 요약

CAPTAIN 실험은 라소스 앨라모스 국립연구소에 5톤의 액체 헬륨 시간투영실감지기(LArTPC)를 설치하여 헬륨에서 중성자 및 중성미자 상호작용을 고정밀도로 측정하고자 한다. 레이저 캘리브레이션, 광검출 및 SNS와 NuMI의 비드라인을 활용하여, 초저에너지 중성미자 단면적과 중성자 에너지 태그의 세계 최초 측정을 가능하게 하며, 이는 초신성 및 장거리 기반 중성미자 물리학에 있어 핵심적이다.

ABSTRACT

The Cryogenic Apparatus for Precision Tests of Argon Interactions with Neutrino (CAP- TAIN) program is designed to make measurements of scientific importance to long-baseline neutrino physics and physics topics that will be explored by large underground detectors. The CAPTAIN detector is a liquid argon TPC deployed in a portable and evacuable cryostat. Five tons of liquid argon are instrumented with a 2,000 channel liquid argon TPC and a photon detection system. Subsequent to the commissioning phase, the detector will collect data in a high-energy neutron beamline that is part of the Los Alamos Neutron Science Center to measure cross-sections of spallation products that are backgrounds to measurements of neutrinos from a supernova burst, cross-sections of events that mimic the electron neutrino appearance signal in long-baseline neutrino physics and neutron signatures to constrain neutrino energy reconstruction in LBNE's long-baseline program. Subsequent to the neutron running, the CAPTAIN detector will be moved to a neutrino source. Two possibilities are an on-axis run in the NuMI beamline at FNAL and a run in the neutrino source produced by the SNS. An on-axis run at NuMI produces more than one million events of interest in a two or three year run at neutrino energies between 1 and 10 GeV - complementary to the MicroBooNE experiment, which will measure similar interactions at a lower energy range - 0.5 to 2 GeV. At the SNS the neutrinos result from the decays stopped positively charged pions and muons yielding a broad spectrum up to 50 MeV. If located close to the spallation target, CAPTAIN can detect several thousand events per year in the same neutrino energy regime where neutrinos from a supernova burst are. Measurements at the SNS yield a first measurement of the cross- section of neutrinos on argon in this important energy regime.

연구 동기 및 목표

• 초신성 폭발 중성미자 탐지 및 장거리 기반 중성미자 진동 실험에 관련된 헬륨에서 중성자 상호작용 단면적을 측정하기 위함.
• 액체 헬륨 TPC에서 중성자 에너지 재구성 및 태깅 기술을 개발하고 시험하여 총 중성미자 에너지 측정을 향상시키기 위함.
• 스패라션 네이트론 소스(SNS)에서 액체 헬륨 TPC를 사용하여 세계 최초로 저에너지 중성미자 단면적을 측정하기 위함.
• 향후 대규모 LArTPC 검출기(예: LBNE)를 위한 캘리브레이션 및 탐지 전략—특히 레이저 캘리브레이션과 광검출—을 검증하기 위함.
• LBNE의 물리 프로그램을 지원하기 위해, 양성자 및 중성자 상호작용, 탈-excited 감마선 태깅, 배경 감소에 대한 핵심 데이터를 제공하기 위함.

제안 방법

• 7,700리터의 이동식 냉각기구에 5톤의 액체 헬륨를 포함하고, 2,000채널의 액체 헬륨 TPC와 광검출 시스템을 탑재한다.
• 레이저 캘리브레이션 시스템과 광학 윈도우를 활용하여 빛 수확율 및 검출기 반응의 정밀 캘리브레이션을 가능하게 한다.
• 라소스 앨라모스 중성미자 과학센터(LANSCE)에서 고강도 중성자 운용을 실시하여 스파라션 생성물 단면적과 중성자 에너지 침착도를 측정한다.
• SNS에서 저강도 중성자 및 중성미자 운용을 실시하며, 정지된 π-입자를 이용해 50 MeV의 종점 스펙트럼을 가진 초신성 폭발 중성미자 시뮬레이션을 수행한다.
• 페르미랩의 NuMI 비드라인에서 축 방향 및 비축 방향 구성으로 운용하여 1–10 GeV 범위의 중성미자 상호작용을 측정한다.
• 프로토타입 1,000채널 LArTPC를 활용하여 전체 CAPTAIN 배치 이전에 종단 간 시스템 테스트 및 분석 기법 개발을 수행한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 초신성 폭발 중성미자에 관련된 에너지 범위에서 헬륨에서 중성자 상호작용 단면적은 무엇인가?
• RQ2 액체 헬륨 TPC는 헬륨, 염소, 칼륨의 들뜬 핵 상태에서 탈-excited 감마선을 정확하게 재구성하고 탐지할 수 있는가?
• RQ3 실제 지표면 환경에서 저에너지 중성미자 상호작용(<50 MeV)에 대해 액체 헬륨 TPC의 에너지 해상도 및 배경 성능는 어떠한가?
• RQ4 레이저 캘리브레이션 및 광검출 시스템은 액체 헬륨에서 중성미자 상호작용 이벤트의 정밀 태깅에 얼마나 효과적인가?
• RQ5 장거리 기반 중성미자 실험에서 중성자 배경을 최소화하기 위한 최적의 검출기 구성 및 차폐 전략는 무엇인가?

주요 결과

• SNS에 10–30미터 이내에 설치될 경우, CAPTAIN 검출기는 연간 수천 건의 중성미자 이벤트를 수집할 것으로 예상되며, 이는 헬륨에서 저에너지 중성미자 단면적의 세계 최초 측정을 가능하게 한다.
• 1,000채널 프로토타입 LArTPC는 캘리브레이션 및 분석 기법의 조기 테스트를 가능하게 하여 전체 검출기의 위험을 감소시킨다.
• LANSCE 비드라인에서의 중성자 데이터는 장거리 기반 실험에서 전자 중성미자 출현 신호를 모방하는 스파라션 생성물 단면적에 대한 핵심 측정을 제공한다.
• SNS의 정지된 π-입자 소스는 50 MeV까지의 잘 알려진 넓은 스펙트럼 중성미자 비드라인을 제공하며, 이는 초신성 폭발 중성미자를 시뮬레이션하는 데 이상적이다.
• 검출기의 광검출 시스템은 40K, 39Ar, 37Ar의 들뜬 핵 상태에서의 탈-excited 감마선 태깅을 가능하게 하여 배경 감소에 있어 핵심적이다.
• CAPTAIN 프로그램은 LBNE의 원거리 검출기 설계 및 운영에 필수적인 데이터를 제공할 것이며, 특히 빛 수확 및 DAQ 시스템 사양에 중점을 두고 있다.