[논문 리뷰] Detector R&D for ANNIE and Future Neutrino Experiments

E. Tiras|arXiv (Cornell University)|2019. 10. 19.

Neutrino Physics Research참고 문헌 11인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 페르미랩의 ANNIE 실험을 위한 연구 개발 노력에 대해 기술하며, 뉴트리노-핵 반응에서 중성자 수확량과 충전형인 비탄성 단면적을 고정밀도로 측정할 수 있도록 대면적 피코초 광검출기(LAPPDs)와 Gadolinium-불화된 물 체렌코프 기술을 도입하는 데 초점을 맞추고 있다. LAPPDs는 약 50 ps의 시간 해상도와 mm 수준의 영상 해상도를 달성하여, 복사점 및 궤적 재구성 능력을 크게 향상시켰으며, 2019년에 전면 검증을 완료하고 데이터 수집을 시작하였다.

ABSTRACT

The Accelerator Neutrino Neutron Interaction Experiment (ANNIE) is designed to serve as a test bed for new detector technologies in future water and liquid scintillator based neutrino experiments. Located on the Booster Neutrino Beam at Fermilab, ANNIE will be the first gadolinium-loaded water Cherenkov detector on a neutrino beam and will provide high statistics measurements of neutron yields from neutrino interactions in water. It is also the first particle physics application of the new photosensor technology: Large Area Picosecond Photodetectors (LAPPDs). With single photon time resolutions of roughly 50 psec and mm-level imaging capabilities, LAPPDs bring considerable new capabilities for neutrino reconstruction in Cherenkov and scintillator detectors. Leveraging this technology to make detailed neutrino measurements, ANNIE will serve as a first demonstration of their impact on physics. In addition to LAPPDs, the ANNIE R&D program will likely explore other new technologies such as the addition of water-based liquid scintillator. The ANNIE Phase II detector is currently under construction and will start to take data in the summer of 2019. In this talk, I will present on the ANNIE detector R&D program and its relevance to current and future neutrino experiments.

연구 동기 및 목표

• 향후 물 및 액체 스코린저 기반 뉴트리노 실험을 위한 새로운 검출기 기술을 개발하고 시험하는 것.
• 뉴트리노 비임의를 이용해 물에서 중성자 다중도와 충전형인 비탄성 단면적을 측정하는 것.
• 대면적 피코초 광검출기(LAPPDs)를 입자물리 실험에서 처음으로 적용하는 것.
• Gd-불화된 물 배치를 위한 저비용의 물 정화 및 순환 시스템을 검증하는 것.
• 고정밀 시간 측정 및 영상 해상도 능력을 통해 고급 뉴트리노 재구성 기능을 가능하게 하는 것.

제안 방법

• 26톤의 Gadolinium-불화된 물 체렌코프 검출기 내에 132개의 기존 PMTs와 5개의 LAPPDs를 설치하는 것.
• LAPPDs를 사용하여 50 ps의 시간 해상도와 mm 수준의 영상 해상도를 확보해 세밀한 체렌코프 빛 재구성 수행.
• 질산염과 자유 라디칼 제거를 위한 황산염을 함유한 수지를 사용한 저비용 물 정화 시스템 도입.
• 어두운 상자 내에서 2D 운동 스테이지와 함께 50 ps 펄스형 405-nm 다이오드 레이저와 420-nm LED를 사용해 LAPPDs의 특성 분석.
• 10 Gsample/sec 읽기 보드를 PSEC4 기반으로 사용해 웨이브폼 샘플링 및 자동 테스트 수행.
• LAPPD 특성 분석을 위한 고전압 제어, 레이저 위치 조절, 데이터 수집을 통합한 컴퓨터 제어 시스템 통합.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 LAPPDs는 뉴트리노 검출 환경에서 100 ps 이내의 시간 해상도와 mm 수준의 영상 해상도를 달성할 수 있는가?
• RQ2 Gd-불화는 물 체렌코프 검출기에서 중성자 탐지 효율을 향상시키는 데 얼마나 효과적인가?
• RQ3 저비용이며 확장 가능한 물 정화 시스템은 장기간에 걸쳐 초순수 Gd-불화된 물을 유지하는 데 효과적인가?
• RQ4 LAPPDs는 뉴트리노 상호작용에서 복사점 및 궤적 재구성 능력을 얼마나 향상시키는가?
• RQ5 빔 환경에서 LAPPDs의 단일 광전자 펄스 형태와 도착 시간 분산 성능은 어떠한가?

주요 결과

• LAPPD 프로토타입은 4% 이내의 후방 펄스를 포함해 60 피코초 미만의 도착 시간 분산을 달성하였다.
• LAPPD의 단일 광전자(sPE) 펄스는 상승 시간 850 피코초, 전고도 반폭 1.1 納초를 보였다.
• LAPPD 특성 분석 장치를 통해 광막 전체에 2.5 mm의 공간 해상도로 정밀한 양자 효율 지도를 작성할 수 있었다.
• ANNIE Phase II 검출기(5개의 LAPPDs 포함)는 성공적으로 검증을 마치고 2019년 10월에 데이터 수집을 시작하였다.
• 저비용의 황산염을 함유한 수지가 질산염과 자유 라디칼을 효과적으로 제거하여, 오직 Gd-황산염만이 용액에 남는 것으로 확인되어 안정적인 Gd-물 배치를 가능하게 하였다.
• 물 주입 이후에도 메일 슬롯과 구조물의 트랙을 통해 LAPPD를 현장에 설치함으로써 전체 검출기 통합이 성공적으로 이뤄졌다.