[论文解读] A Geant4 simulation of particle production at the Spallation Neutron Source

COHERENT Collaboration, D. Akimov+81 more|arXiv (Cornell University)|Sep 22, 2021

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 60被引用 4

一句话总结

本文使用Geant4.10.06和QGSP_BERT物理列表，对1 GeV质子束轰击汞靶时在散裂中子源（SNS）产生的中微子进行了模拟。结果预测在距离靶20 m处，中微子通量为4.7 × 10⁷ ν cm⁻² s⁻¹，其中99%来自停止的π⁺衰变，且强子产生模型的不确定性（±10%）是COHERENT实验中相干弹性中微子-核子散射测量的主要系统误差来源。

ABSTRACT

Release of COHERENT collaboration software associated with the neutrino production studies of the Spallation Neutron Source (SNS) at Oak Ridge National Laboratory described in arXiv:2109.11049. This simulation investigates the particle production at the SNS using Geant4, and we include both the base simulation and our analysis scripts in this package.

研究动机与目标

• 使用Geant4模拟SNS汞靶中质子诱导的粒子产额，以实现对粒子产额的精确预测。
• 量化由基础强子产生模型不确定性引起的模拟中微子通量不确定性，该不确定性影响COHERENT实验的相干弹性中微子-核子散射测量。
• 支持利用D₂O探测器在SNS直接测量中微子通量以校准模拟结果的策略开发。
• 为未来对π⁰、π⁻和η等粒子的模拟验证提供支持，这些粒子与SNS处的暗物质搜索密切相关。
• 通过将SNS作为参考源，提升基于加速器的中微子实验中低能中微子通量预测的准确性。

提出的方法

• 使用Geant4.10.06和QGSP_BERT物理列表，模拟SNS汞靶中质子诱导的粒子产生过程。
• 将SNS靶视为点源，以简化20 m距离处的通量计算。
• 主要通过停止的π⁺介子衰变链建模中微子产生，该过程在低能区域主导中微子通量。
• 基于实验和理论输入，对强子产生模型施加10%的不确定性估计。
• 利用已知的νₑ + d → p + p + e⁻反应截面，设计未来用于直接校准通量的D₂O探测器。
• 提出将模拟框架扩展至建模质子束流期间活化材料产生的β⁺/β⁻衰变。

实验结果

研究问题

• RQ1 在1 GeV质子束条件下，SNS靶20 m处的预测中微子通量是多少？
• RQ2 与其它来源相比，停止的π⁺衰变占总中微子通量的比例是多少？
• RQ3 强子产生模型的不确定性如何影响COHERENT实验中CEvNS测量的整体系统误差？
• RQ4 在SNS部署的D₂O探测器是否具备足够统计精度，可直接测量νₑ通量并校准模拟结果？
• RQ5 该模拟框架在多大程度上可扩展以建模质子束流期间活化核素β衰变产生的低能贡献？

主要发现

• 模拟预测在1.4 MW束流下，1 GeV入射质子在SNS靶20 m处的总中微子通量为4.7 × 10⁷ ν cm⁻² s⁻¹。
• 约99%的总中微子通量来自停止π⁺介子的衰变链，证实其在低能中微子产生中的主导作用。
• 强子产生模型的不确定性导致模拟通量产生10%的系统误差，现已成为COHERENT实验中CEvNS测量的主要系统误差来源。
• 模拟框架被验证为估算SNS中粒子通量及束流线几何效应的关键工具。
• 未来质量约为680 kg的D₂O探测器可实现与四个SNS束流年相当的统计精度，从而实现对模拟通量的直接校准。
• 该模拟正在扩展以建模质子束流期间活化材料产生的β⁺/β⁻衰变的低能贡献，可能影响未来低能中微子实验。