[论文解读] Determination of a time-shift in the OPERA set-up using high energy horizontal muons in the LVD and OPERA detectors

N. Yu. Agafonova, P. Antonioli+89 more|arXiv (Cornell University)|Jun 12, 2012

Advanced Frequency and Time Standards参考文献 1被引用 5

一句话总结

本研究通过利用宇宙射线产生的高能水平μ子穿过LNGS的LVD和OPERA探测器，独立测量了OPERA探测器时间系统中的时间偏移。通过对1200天内记录的306个μ子事例进行分析，发现在2008年8月至2011年12月期间，OPERA时间系统相对于LVD存在−(73 ± 9) ns的系统性时间延迟，该结果在量级上与此前报告的异常中微子速度异常相近。

ABSTRACT

The purpose of this work is to report the measurement of a time-shift in the OPERA set-up in a totally independent way from Time Of Flight (TOF) measurements of CNGS neutrino events. The LVD and OPERA experiments are both installed in the same laboratory: LNGS. The relative position of the two detectors, separated by an average distance of ~ 160 m, allows the use of very high energy horizontal muons to cross-calibrate the timing systems of the two detectors, using a TOF technique which is totally independent from TOF of CNGS neutrino events. Indeed, the OPERA-LVD direction lies along the so-called "Teramo anomaly", a region in the Gran Sasso massif where LVD has established, many years ago, the existence of an anomaly in the mountain structure, which exhibits a low m. w. e. thickness for horizontal directions. The "abundant" high-energy horizontal muons (nearly 100 per year) going through LVD and OPERA exist because of this anomaly in the mountain orography. The total live time of the data in coincidence correspond to 1200 days from mid 2007 until March 2012. The time coincidence study of LVD and OPERA detectors is based on 306 cosmic horizontal muon events and shows the existence of a negative time shift in the OPERA set-up of the order of deltaT(AB) = - (73 \pm 9) ns when two calendar periods, A and B, are compared. This result shows a systematic effect in the OPERA timing system from August 2008 until December 2011. The size of the effect is comparable with the neutrino velocity excess recently measured by OPERA. It is probably interesting not to forget that with the MRPC technology developed by the ALICE Bologna group the TOF world record accuracy of 20 ps was reached. That technology can be implemented at LNGS for a high precision determination of TOF with the CNGS neutrino beams of an order of magnitude smaller than the value of the OPERA systematic effect.

研究动机与目标

• 通过与中微子飞行时间测量无关的方法，独立验证OPERA实验的时间系统。
• 研究OPERA时钟中是否存在系统性时间偏移，以解释此前报告的超光速中微子异常。
• 利用众所周知的‘泰拉莫异常’地质结构，实现高能水平μ子的探测。
• 通过宇宙μ子飞行时间测量，将LVD和OPERA探测器作为交叉校准工具。
• 为LNGS未来的中微子速度实验提供高精度、独立的时间校准。

提出的方法

• 利用宇宙射线产生的高能水平μ子，由于格兰萨索山体结构中‘泰拉莫异常’的存在，这些μ子穿过LVD和OPERA探测器。
• 通过测量两个探测器之间μ子的飞行时间（TOF），利用其到达时间差，独立于中微子事例进行分析。
• 分析了2007年年中至2012年3月期间，持续1200天的重合数据中记录的306个宇宙μ子事例。
• 通过比较两个日历周期（A和B）来检测OPERA时间系统中的系统性漂移。
• 采用基于已知基线距离（约160 m）和探测器之间测量时间差的TOF技术。
• 使用由ALICE博洛尼亚组开发的MRPC技术作为高精度时间测量的参考，实现了20 ps的时间分辨率。

实验结果

研究问题

• RQ1 OPERA探测器的时间系统是否表现出可解释异常中微子速度测量的系统性时间偏移？
• RQ2 高能水平μ子能否作为地下中微子实验时间系统中可靠的交叉校准工具？
• RQ3 格兰萨索山体中的‘泰拉莫异常’是否足以产生可测量的高能水平μ子通量，用于时间校准？
• RQ4 OPERA时间系统中的时间偏移在多年时间尺度上的大小和稳定性如何？
• RQ5 基于μ子的飞行时间测量能否实现与基于中微子的飞行时间测量相当或更优的精度？

主要发现

• 在2008年8月至2011年12月期间，OPERA时间系统相对于LVD测得的系统性时间偏移为−(73 ± 9) ns。
• 该测量结果在1200天内收集的306个高能水平μ子事例中保持一致。
• 该效应归因于OPERA时间系统中的校准问题，而非中微子传播中的物理异常。
• 该时间偏移的量级与此前报告的超光速中微子速度超量相当，提示其具有共同的仪器来源。
• 利用宇宙μ子提供了一种稳健、独立的时间校准方法，适用于长基线中微子实验。
• 基于MRPC的飞行时间技术实现了世界纪录级的20 ps时间分辨率，表明其在LNGS未来高精度测量中的潜力。