[论文解读] Detector R&D for ANNIE and Future Neutrino Experiments

E. Tiras|arXiv (Cornell University)|Oct 19, 2019

Neutrino Physics Research参考文献 11被引用 5

一句话总结

本文介绍了费米实验室ANNIE实验的研发工作，重点在于部署大面积皮秒光电倍增管（LAPPDs）和掺钆水切伦科夫技术，以实现对中微子-核子相互作用中中子产额及带电流准弹性截面的高精度测量。LAPPDs实现了约50皮秒的时间分辨率和毫米级成像，显著提升了顶点和轨迹重建性能，全探测器已成功完成调试，2019年已开始数据获取。

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.

研究动机与目标

• 为未来的水和液体闪烁体基中微子实验开发并测试新型探测器技术。
• 利用中微子束测量水中中子多重性和带电流准弹性截面。
• 首次在粒子物理实验中应用大面积皮秒光电倍增管（LAPPDs）。
• 验证低成本水纯化与循环系统在掺钆水部署中的适用性。
• 通过高精度时间分辨与成像能力，实现先进的中微子重建。

提出的方法

• 在26吨掺钆水切伦科夫探测器中部署132个传统光电倍增管和5个LAPPDs。
• 利用时间分辨率达50皮秒、成像精度达毫米级的LAPPDs，实现对切伦科夫光的详细重建。
• 采用硫酸盐负载树脂实现低成本水纯化系统，以去除硝酸盐和自由基。
• 在暗箱装置中，利用50皮秒脉冲405纳米二极管激光和420纳米LED，通过二维运动平台对LAPPDs进行表征。
• 采用基于PSEC4的10 G样本/秒读出板进行波形采样与自动化测试。
• 集成计算机控制的系统，用于高压、激光定位与数据采集，实现LAPPD表征。

实验结果

研究问题

• RQ1 LAPPDs能否在中微子探测器环境中实现亚100皮秒时间分辨率与毫米级成像？
• RQ2 掺钆技术在水切伦科夫探测器中提升中子探测效率的效能如何？
• RQ3 低成本、可扩展的水纯化系统能否长期维持超纯掺钆水的稳定性？
• RQ4 LAPPDs在中微子相互作用中对顶点与轨迹重建的改善程度如何？
• RQ5 在束流环境中，LAPPDs在单光电子脉冲波形与渡越时间展宽方面的性能表现如何？

主要发现

• LAPPD原型器件实现了小于60皮秒的渡越时间展宽，且后脉冲率低于4%。
• LAPPD的单光电子（sPE）脉冲上升时间为850皮秒，半高全宽为1.1纳秒。
• LAPPD表征装置实现了在光电阴极上2.5毫米空间分辨率的精确量子效率映射。
• ANNIE Phase II探测器（含5个LAPPDs）已成功完成调试，并于2019年10月开始数据获取。
• 低成本硫酸盐负载树脂有效去除了硝酸盐和自由基，仅留下Gd-硫酸盐溶质，实现了稳定的掺钆水部署。
• 通过内结构上的邮件槽与导轨，实现了LAPPD的现场安装，即使在注水后也能完成全探测器集成。