[論文レビュー] Baby MIND: A magnetised spectrometer for the WAGASCI experiment

M. Antonova, R. Asfandiyarov+44 more|arXiv (Cornell University)|Apr 26, 2017

Neutrino Physics Research参考文献 5被引用数 5

ひとこと要約

Baby MIND は、J-PARC における WAGASCI 実験のために開発された磁化鉄分光計プロトタイプであり、ニュートリノの電荷対称反応からのミューオンの電荷および運動量を測定することを目的としている。33枚の磁化鉄プレートと18個のシンチレーションモジュール（MPPC 読み出し方式）を用いて、0.2–6 GeV/c の運動量範囲におけるミューオンで95%以上の再構成効率と90%以上の電荷識別効率を達成し、T2K 震動解析に不可欠なニュートリノ断面積の制限を改善する。

ABSTRACT

The WAGASCI experiment being built at the J-PARC neutrino beam line will measure the difference in cross sections from neutrinos interacting with a water and scintillator targets, in order to constrain neutrino cross sections, essential for the T2K neutrino oscillation measurements. A prototype Magnetised Iron Neutrino Detector (MIND), called Baby MIND, is being constructed at CERN to act as a magnetic spectrometer behind the main WAGASCI target to be able to measure the charge and momentum of the outgoing muon from neutrino charged current interactions.

研究の動機と目的

• 水およびシンチレーターにおけるニュートリノ反応断面積の正確な測定により、T2K ニュートリノ振動解析における主なキャンセルされない系誤差を低減すること。
• ニュートリノ電荷対称反応からのミューオンの電荷および運動量識別が可能な磁場分光計の開発。
• CERN で WAGASCI 実験に統合される前の段階として、磁化鉄ニュートリノ検出器（Baby MIND）のプロトタイプを構築・特性評価すること。
• CERN の PS 粒子ビーム施設で実施されたテストビームを用いて、検出器の読み出し電子回路、データ取得システムおよび再構成ソフトウェアの妥当性を検証すること。
• 0.2–6 GeV/c の運動量範囲におけるミューオンの再構成および電荷識別効率を高め、正確な断面積比測定を支援すること。

提案手法

• Baby MIND は、33枚の交互に配置された磁化鉄プレートと18枚のシンチレーションプレートを用いて、磁場内におけるミューオン軌道の湾曲および位置を測定する。
• シンチレーションバー（幅30 mmおよび210 mm）は波長シフトファイバーと、ホーマツ S12571-025C マルチピクセルフォトンカウンター（MPPC）で読み取られる。
• 32チャンネルのCITIROC ASICを3個内蔵したフロントエンドボード（FEB）が、各チャンネルで40 MS/sの速度で信号をデジタル化し、FPGAを用いた制御と、スローコントロール用のUSB/Gigabit Ethernetを備える。
• SaRoMaN ソフトウェアスイートは、GEANT4 および GENIE シミュレーションを用い、GDML を用いた幾何記述に基づいて、シミュレーション、再構成、データ処理を統合して行う。
• 再構成には、ヒット位置と磁場情報に基づく軌道パラメータ推定を向上させるためのカルマンフィルタベースのフィッティングパッケージであるRecPackを用いる。
• CERN の T9 ビームラインで実施されたテストビームでは、TASD プロトタイプを用いて、200 MeV/c から10 GeV/c のミューオンおよびパイオニオンを用いて、電子回路、DAQ、ソフトウェアの妥当性が検証された。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 磁化鉄分光計は、0.2–6 GeV/c の運動量範囲におけるミューオンで高い再構成効率を達成できるか？
• RQ2 磁場を通過するミューオンに対する Baby MIND 検出器の電荷識別効率はどの程度か？
• RQ3 MPPC および FEB を含む統合読み出しシステムは、高レートビーム環境でも信頼性高くミューオン軌道を再構成できるか？
• RQ4 SaRoMaN ソフトウェアスイートは、シミュレーテッドおよび実際のビームデータを用いて、どのようにミューオン軌道を再構成するか？
• RQ5 検出器の性能は、WAGASCI 実験における正確な断面積比測定要件をどの程度満たしているか？

主な発見

• 検出器軸に沿って配置された単一ミューオンビームに対して、0.2–6 GeV/c の全運動量範囲で再構成効率が95%を超える。
• 同じミューオンビーム設定において、0.2–6 GeV/c の運動量範囲で電荷識別効率が90%を超える。
• CERN の T9 ビームラインで実施されたテストビームにより、FEB、MPPC、データ取得システムを含む完全な読み出しチェーンの特性評価が成功裏に完了した。
• SaRoMaN ソフトウェアスイートは、一貫性のある GDML を用いた幾何モデルを用いて、シミュレーテッドおよび実際のビームデータ処理において堅牢な性能を示した。
• 検出器の組立は2017年5月に完了し、2017年6月に完全な検出器テストビームが実施された。J-PARC への搬送は2017年7月に予定されている。
• Baby MIND の WAGASCI 実験への統合は2017年秋に予定されており、水およびシンチレーターにおけるニュートリノ断面積比の高精度測定が可能になる。