[论文解读] Accelerator Neutrino Neutron Interaction Experiment (ANNIE): Preliminary Results and Physics Phase Proposal

H.O. Back, J. F. Beacom+29 more|arXiv (Cornell University)|Jul 25, 2017

Neutrino Physics Research参考文献 2被引用 36

一句话总结

本文提出了费米实验室ANNIE实验的第二阶段，将在水切伦科夫探测器中部署大面积皮秒光电倍增管（LAPPDs）和增强型光电倍增管（PMTs），以测量中微子-核子相互作用中的中子多重性。其主要贡献在于证实了第一阶段的中子本底水平较低，从而为长基线振荡物理研究和未来探测器开发提供了精确的中微子相互作用研究基础。

ABSTRACT

The R&D mission of the Accelerator Neutrino Neutron Interaction Experiment (ANNIE) is described in detail. ANNIE is: (1) an important measurement of neutrino-nucleus interactions focusing specifically on neutron production, and (2) an R&D effort focused on using new photodetector technology and chemical additives to make advanced water-base neutrino detectors. The ANNIE experiment consists of a small Water Cherenkov detector, instrumented with both conventional photomultiplier tubes (PMTs) and Large Area Picosecond Photodetectors (LAPPDs) deployed on the Booster Neutrino Beam (BNB) at Fermilab. The experiment is designed to proceed in two stages: a partially-instrumented test-beam run using only PMTs (Phase I) for the purpose of measuring critical neutron backgrounds to the experiment; and a physics run with a fully-instrumented detector (Phase II). This paper gives preliminary results of the first phase and described the detector design upgrades necessary for the next phase.

研究动机与目标

• 利用束流打靶实验测量中微子-核子相互作用中末态中子的多重性。
• 降低长基线振荡实验中中微子能量重建的系统性不确定度。
• 证明在中微子束流环境中，LAPPDs与掺钆水的协同应用，为未来大规模探测器提供技术基础。
• 验证中子标记效率与本征体积优化，以支持质子衰变与超新星中微子探测。
• 支持Theia项目的发展，即下一代水切伦科夫中微子探测器。

提出的方法

• 在费米实验室加速器中微子束（BNB）大厅部署配备传统PMT和LAPPD的水切伦科夫探测器。
• 利用第一阶段的数据测量并确认中子本底率足够低，从而支持第二阶段的物理目标。
• 通过PSEC4系统集成LAPPD读出，并升级数据获取（DAQ）系统以处理LAPPD的异步数据流。
• 通过改进PMT覆盖度和μ子射程探测器（MRD）的翻新，优化中子约束与本征体积。
• 应用运动学重建与顶点本征体积化方法，以增强信号识别并抑制本底。
• 利用ANNIEPOST离线处理工具对原始数据应用几何建模、校准和触发分离。

实验结果

研究问题

• RQ1 水中的中微子-核子相互作用中，中子多重性是多少？它如何影响中微子能量重建？
• RQ2 在高本底束流环境中，LAPPDs在中子标记方面的有效性如何？
• RQ3 2p-2h过程与束缚态π介子相互作用在CCQE类事例中对中微子能量误重构的贡献有多大？
• RQ4 掺钆水与LAPPDs是否能显著提升中微子实验中的中子探测效率？
• RQ5 本征体积优化与顶点重建在多大程度上可降低中微子相互作用测量中的本底？

主要发现

• 第一阶段数据证实，SciBooNE大厅中的中子本底足够低，可支持第二阶段的物理测量。
• Incom Inc.提供的LAPPD模块已完成测试，已具备部署条件，配套读出电子学与防水外壳已开发完成。
• 现有ANNIE DAQ系统可通过少量修改升级以支持LAPPD数据流，主要通过新增驱动程序与接口硬件实现。
• 第二阶段探测器设计提升了PMT覆盖度，集成128个PMT和最多20个LAPPD模块，显著提高中子标记效率。
• 基于VME的读出系统具备可扩展性，计划采用CAEN SY4527机箱，支持480个负高压通道和160个正高压通道。
• 合作团队已证明LAPPD读出与控制系统与现有ANNIE基础设施兼容，可与PSEC4系统集成。