[论文解读] A Proposal for a Near Detector Experiment on the Booster Neutrino Beamline: FINeSSE: Fermilab Intense Neutrino Scattering Scintillator Experiment

The FINeSSE Collaboration, Brice, S.+28 more|ArXiv.org|Feb 3, 2004

Neutrino Physics Research参考文献 10被引用 12

一句话总结

FINeSSE 在费米实验室的加速器中微子束线提出了一项近探测器实验，采用双段闪烁体探测器，通过中性流中微子散射测量核子自旋中的奇异夸克贡献（$\Delta s$），并探测高$\Delta m^2$区域的$\nu_\mu$消失。探测器位于源点100米处，结合用于低能质子的顶点跟踪器和用于高能μ子的μ子射程堆，两年内利用6×10²⁰ POT的总束流，可实现对$\Delta s$的测量灵敏度。

ABSTRACT

Understanding the quark and gluon substructure of the nucleon has been a prime goal of both nuclear and particle physics for more than thirty years and has led to much of the progress in strong interaction physics. Still the flavor dependence of the nucleon's spin is a significant fundamental question that is not understood. Experiments measuring the spin content of the nucleon have reported conflicting results on the amount of nucleon spin carried by strange quarks. Quasi-elastic neutrino scattering, observed using a novel detection technique, provides a theoretically clean measure of this quantity. The optimum neutrino beam energy needed to measure the strange spin of the nucleon is 1 GeV. This is also an ideal energy to search for neutrino oscillations at high $Δm^2$ in an astrophysically interesting region. Models of the r-process in supernovae which include high-mass sterile neutrinos may explain the abundance of neutron-rich heavy metals in the universe. These high-mass sterile neutrinos are outside the sensitivity region of any previous neutrino oscillation experiments. The Booster neutrino beamline at Fermilab provides the world's highest intensity neutrino beam in the 0.5-1.0 GeV energy range, a range ideal for both of these measurements. A small detector located upstream of the MiniBooNE detector, 100 m from the recently commissioned Booster neutrino source, could definitively measure the strange quark contribution to the nucleon spin. This detector, in conjunction with the MiniBooNE detector, could also investigate $ν_μ$ disappearance in a currently unexplored, cosmologically interesting region.

研究动机与目标

• 通过中性流中微子散射，采用理论清晰、模型无关的方法，测量核子自旋中奇异夸克的贡献（$\Delta s$）。
• 探测高$\Delta m^2$区域（1–10 eV²）的$\nu_\mu$消失，该区域与r过程核合成等天体物理现象及惰性中微子模型相关。
• 利用费米实验室高亮度的0.5–1.0 GeV中微子束流，该束流对$\Delta s$测量和高$\Delta m^2$振荡搜索均具有最优性能。
• 通过双段探测器系统实现上述目标：使用液态闪烁体顶点探测器测量低能质子，使用μ子射程堆测量长程μ子。
• 与MiniBooNE实验协调，通过双基线测量提高对$\nu_\mu$消失的探测灵敏度。

提出的方法

• 探测器位于加速器中微子靶前100米处，利用其高亮度（最高达6×10²⁰ POT）和最优能量（1 GeV）进行$\Delta s$测量。
• 顶点探测器采用液态闪烁体的‘气泡室’式构型，用于追踪来自弹性散射的低能质子。
• 下游的μ子射程堆由铁板和闪烁体层组成，用于测量带电流作用中产生的μ子射程。
• 光电倍增管（PMTs）和专用电子学读出两个子探测器的信号，校准程序确保能量和位置分辨率。
• 事件重建通过选择性筛选识别中性流（NCp）和带电流弹性散射（CCQE）事例，效率与纯度通过蒙特卡罗模拟量化。
• 通过拟合程序从$Q^2 = 0.2–0.4$ GeV²处的比值$R(\text{NC/CC})$中提取$\Delta s$，通过选择有效体积和抑制背景，最小化系统误差。

实验结果

研究问题

• RQ1 奇异夸克对核子自旋的贡献是多少？与现有相互矛盾的实验结果相比如何？
• RQ2 近探测器实验能否在高$\Delta m^2$区域（1–10 eV²）观测到$\nu_\mu$消失？此前实验尚未探索该区域。
• RQ3 FINeSSE探测器是否能在两年运行中仅使用6×10²⁰ POT实现对$\Delta s$的足够灵敏度？
• RQ4 FINeSSE与MiniBooNE的结合如何通过基于视差的基线分离提高对$\nu_\mu$消失的探测灵敏度？
• RQ5 FINeSSE探测器中的主要本底是什么？如何通过运动学和拓扑筛选有效抑制？

主要发现

• 在100米处，每吨探测器使用1×10²⁰ POT时，预计可产生约215,000个事例；若考虑$^{12}$C中的末态相互作用，该数值将增至约527,000个事例。
• 在2.2 m³有效体积内，CCQE事例的重建效率为87%，纯度为85%，总预期事例数乘以2.45倍校正因子。
• 对于6×10²⁰ POT运行，$Q^2 = 0.2–0.4$ GeV²处$R(\text{NC/CC})$的相对误差估计为~1.5%，可实现对$\Delta s$的精确提取。
• 配备25米吸收体时，FINeSSE可在$\Delta m^2 \sim 1$ eV²处实现对$\nu_\mu$消失的探测灵敏度，使用50米吸收体可进一步提升本底抑制效果。
• 探测器在射程堆中对μ子射程重建的效率预计可达90%，包含钢板桩基坑和龙门吊的围护结构成本约为160万美元。
• 实验预计于2006年年中开始取数，探测器和围护结构的建造与安装计划耗时2.5年。