[论文解读] A Novel Cosmic Ray Tagger System for Liquid Argon TPC Neutrino Detectors

M. Auger, M. Del Tutto+14 more|arXiv (Cornell University)|Dec 14, 2016

Neutrino Physics Research参考文献 3被引用 4

一句话总结

该论文提出了一种基于闪烁体的宇宙射线标记器（CRT）系统，用于费米国家加速器实验室短基线中微子（SBN）计划中的液氩时间投影室（LArTPC）中微子探测器。该CRT系统采用16个闪烁体条纹模块，结合波长位移光纤和硅光电倍增管（SiPMs），实现了超过95%的μ子探测效率、1.8厘米的空间分辨率和1.2纳秒的时间分辨率，可精确标记宇宙射线，从而减少中微子相互作用重建中的本底噪声。

ABSTRACT

The Fermilab Short Baseline Neutrino (SBN) program aims to observe and reconstruct thousands of neutrino-argon interactions with its three detectors (SBND, MicroBooNE and ICARUS-T600), using their hundred of tonnes Liquid Argon Time Projection Chambers to perform a rich physics analysis program, in particular focused in the search for sterile neutrinos. Given the relatively shallow depth of the detectors, the continuos flux of cosmic ray particles which crossing their volumes introduces a constant background which can be falsely identified as part of the event of interest. Here we present the Cosmic Ray Tagger (CRT) system, a novel technique to tag and identify these crossing particles using scintillation modules which measure their time and coordinates relative to events internal to the neutrino detector, mitigating therefore their effect in the event tracking reconstruction.

研究动机与目标

• 减轻费米国家加速器实验室SBN计划中，宇宙射线μ子穿过LArTPC探测器有效体积所导致的主要本底噪声。
• 通过减少因误识别宇宙μ子引起的假阳性事例，提高中微子振荡测量的灵敏度。
• 利用标记的宇宙射线μ子实现探测器的精确校准和响应特性表征。
• 开发一种可扩展的高性能标记系统，采用闪烁体条纹、WLS光纤和SiPMs，适用于大体积LArTPC。
• 通过严格的质保和校准程序，确保所有模块性能的一致性。

提出的方法

• CRT系统采用16个机械连接的闪烁体条纹（10.8厘米宽，0.1毫米粘合层），置于铝制外壳中，壁厚2毫米以保证机械稳定性。
• 每根条纹通过两端各两根波长位移（WLS）光纤和两个SiPMs读出，利用信号幅度比实现位置重建。
• 前端板（FEB）配备250 MHz粗计数器和延迟链插值器，实现1.2纳秒RMS时间分辨率，用于事件时间戳记。
• 通过测量闪烁体中光子传播延迟，确定有效延迟为6.1 ± 0.7纳秒/米，用于校正飞行时间测量。
• 利用宇宙μ子作为校准源，验证不同条纹位置和模块配置下的位置与时间分辨率。
• 通过交叉μ子测量模块间的触发时间差，相邻模块和相距7.3米的模块的电缆延迟分别为2纳秒和25纳秒。

实验结果

研究问题

• RQ1 基于闪烁体的标记系统能否在大体积LArTPC中实现对宇宙射线μ子超过95%的探测效率？
• RQ2 采用双SiPM读出方式在闪烁体条纹上进行μ子位置重建，可实现的空间分辨率是多少？
• RQ3 FEB系统的定时分辨率是否能在不同信号幅度和路径长度下保持在1.2纳秒RMS？
• RQ4 CRT系统在最多相距7.3米的多个模块之间，能否准确分辨宇宙μ子的相对时间？
• RQ5 CRT系统在SBN探测器中，能在多大程度上减少因宇宙射线本底导致的假中微子相互作用重建？

主要发现

• CRT系统在每个模块整个表面的μ子探测效率均超过95%，经宇宙射线校准验证。
• 位置重建的空间分辨率为1.8厘米，通过信号幅度校正使重建位置与真实撞击位置之间的RMS差异最小化。
• FEB系统的定时分辨率为1.2纳秒RMS，使用脉冲激光测量，并在距SiPMs 25厘米和375厘米处均得到验证。
• 闪烁体条纹中的有效光子传播延迟测量值为6.1 ± 0.7纳秒/米，可实现精确的飞行时间校正。
• 模块间的触发时间差与预期的电缆延迟（相邻模块2纳秒，相距7.3米的模块25纳秒）一致，证实系统具有稳定且可预测的定时性能。
• 质量保证测试确认所有模块性能一致，探测效率和分辨率均稳定，确保了大规模部署的可靠性。