[论文解读] New Methods and Simulations for Cosmogenic Induced Spallation Removal in Super-Kamiokande-IV

Kamiokande Collaboration, S. Locke+218 more|arXiv (Cornell University)|Nov 30, 2021

Neutrino Physics Research参考文献 4被引用 6

一句话总结

本文提出了一套新方法与仿真技术，用于在超级神冈探测器-IV中识别并去除宇宙射线引起的核反应事件，通过先进残余电荷与纵向距离的概率密度函数（PDF）建模，区分信号与本底。该方法通过拟合多组分指数与高斯分布至事件特征，实现背景抑制的提升，从而增强中微子振荡与稀有过程探测的灵敏度。

ABSTRACT

Radioactivity induced by cosmic muon spallation is a dominant source of backgrounds for $\mathcal{O}(10)~$MeV neutrino interactions in water Cherenkov detectors. In particular, it is crucial to reduce backgrounds to measure the solar neutrino spectrum and find neutrino interactions from distant supernovae. In this paper we introduce new techniques to locate muon-induced hadronic showers and efficiently reject spallation backgrounds. Applying these techniques to the solar neutrino analysis with an exposure of $2790 imes22.5$~kton.day increases the signal efficiency by $12.6\%$, approximately corresponding to an additional year of detector running. Furthermore, we present the first spallation simulation at SK, where we model hadronic interactions using FLUKA. The agreement between the isotope yields and shower pattern in this simulation and in the data gives confidence in the accuracy of this simulation, and thus opens the door to use it to optimize muon spallation removal in new data with gadolinium-enhanced neutron capture detection.

研究动机与目标

• 为降低超级神冈探测器-IV中的宇宙射线核反应本底，该本底会模拟低能中微子信号，从而降低振荡与稀有过程研究的灵敏度。
• 开发一种稳健、基于数据的方法，利用事件拓扑与电荷沉积特性，区分核反应事件与真实中微子作用。
• 通过多组分函数对残余电荷与纵向距离的概率密度函数（PDF）进行建模，以提升本底排斥能力。
• 通过最小化宇宙射线诱导核反应引起的误报事件，实现长基线中微子振荡与质子衰变探测中更精确的测量。
• 为超级神冈探测器未来数据获取阶段提供一种系统性、基于拟合的本底去除框架。

提出的方法

• 将正向残余电荷的PDF建模为五个指数函数之和，拟合参数为 c_i 与 p_i，由数据导出。
• 对负向残余电荷采用四组离散点之间的线性插值，未假设解析形式。
• 使用三重高斯混合模型拟合纵向距离 Δl_long，以捕捉核反应事件的非对称分布。
• 为随机重合事件定义分段PDF，过渡点为 l_t0²，该点之后采用带二次校正的指数衰减。
• 在7个残余电荷区间与3个时间范围内分别对核反应与随机重合事件进行PDF拟合，共21次拟合。
• 使用公式 (18) 与 (19) 分别将核反应与随机重合事件的PDF建模为指数函数与分段指数函数。

实验结果

研究问题

• RQ1 如何在超级神冈探测器-IV中有效区分宇宙射线核反应事件与真实中微子作用？
• RQ2 何种函数形式最能描述核反应与随机重合事件的残余电荷与纵向距离分布？
• RQ3 时间相关性与电荷区间分辨的PDF拟合如何提升本底抑制效果？
• RQ4 多组分指数与高斯模型在多大程度上可降低低能中微子分析中的误报率？
• RQ5 在探测器几何约束条件下，何种PDF参数化方式可最大化信号与本底的区分能力？

主要发现

• 核反应残余电荷PDF最适于建模为五个指数函数之和，拟合参数 c_i 与 p_i 见表10。
• 对于负向残余电荷，PDF通过四组离散点之间的线性插值得到，其值在 -100 至 -7.5 kpe 范围内从 10⁻⁶ 变化至 0.34053。
• 核反应事件的纵向距离 Δl_long 可由三重高斯混合模型良好描述，其振幅分别为 989.8、1185 与 254.6，宽度分别为 0.9217、1.852 与 13.49 m。
• 随机重合事件采用分段PDF建模，过渡点为 l_t0²，当 l_t² > l_t0² 时采用带二次校正的指数衰减。
• 核反应与随机PDF的拟合参数列于表9、表10与表12中，可在21个独立拟合区域实现精确的本底建模。
• 该方法通过精确建模残余电荷与纵向距离中核反应与随机事件的非均匀、非高斯分布，实现了更优的本底抑制。