[论文解读] EMPHATIC: A proposed experiment to measure hadron scattering and productioncross sections for improved neutrino flux predictions

T. Akaishi, L. Aliaga-Soplin+48 more|arXiv (Cornell University)|Dec 18, 2019

Astrophysics and Cosmic Phenomena参考文献 4被引用 11

一句话总结

EMPHATIC合作团队提出在费米实验室固定靶束流设施开展一项紧凑型、高事件率实验，旨在测量低至中等束流动量（4–120 GeV/c）下的强子散射与产生截面，采用高精度轨迹测量、切伦科夫粒子鉴别及飞行时间系统。这些测量旨在将中微子通量预测不确定性降低约一半，直接提升T2K、NOvA、Hyper-K和DUNE等长基线中微子实验的系统性精度。

ABSTRACT

Hadron scattering and production uncertainties are a limiting systematic on accelerator and at-mospheric neutrino flux predictions. New hadron measurements are necessary for neutrino fluxpredictions with well-understood and reduced uncertainties. We propose a new compact experimentto measure hadron scattering and production cross sections at beam energies that are inaccessibleto currently operating experiments. These measurements can reduce the current 10% neutrino fluxuncertainties by an approximate factor of two.

研究动机与目标

• 改善加速器中微子通量预测中的系统性不确定性，当前该不确定性受强子散射与产生截面不确定性的影响。
• 填补低于31 GeV/c束流动量区域的数据空白，该区域现有实验能力有限。
• 收集关于碳、铝、铁及其他与中微子束流产生相关的靶材的高统计量、高精度强子相互作用数据。
• 为当前及未来的长基线振荡实验提供更低不确定性的中微子通量建模支持。
• 通过提供经过良好标定的强子相互作用数据，支持更广泛的高能物理与中微子物理研究社区。

提出的方法

• 利用费米实验室固定靶束流设施（FTBF），在4至120 GeV/c的束流动量范围内，对多种核靶材（C、Al、Fe、Be、B、BN、B2O3、H2O、Ca、Hg、Ti）施加质子和π介子束流。
• 采用紧凑型谱仪，配备硅条形探测器，以精确测量次级粒子的轨迹与动量。
• 集成切伦科夫探测器（束流处与下游）及飞行时间系统，实现高达15 GeV/c的粒子鉴别能力，最终阶段完成。
• 实施分阶段运行计划：第一阶段（2020年）使用借用的小接受度磁铁与部分轨迹系统；第二阶段（2021年）采用全接受度磁铁与大面积硅条形探测器；第三阶段（2022年）扩展RICH系统以提升粒子鉴别能力至15 GeV/c。
• 采用简单、高事件率触发系统，以最大化数据采集效率，每种配置在数小时内可收集约10万次相互作用。
• 利用现有探测器技术与成熟设计方案，最大限度降低研发成本并减少实验风险。

实验结果

研究问题

• RQ1 在4至120 GeV/c的束流动量范围内，质子与π介子在轻质与中等质量靶材上的强子产生与散射截面是多少？
• RQ2 当前强子相互作用模型中的不确定性在多大程度上限制了长基线实验中中微子通量预测的准确性？
• RQ3 在当前实验无法覆盖的低束流能量区域，新测量能在多大程度上降低整体中微子通量不确定性？
• RQ4 能否通过使用现有探测器技术的紧凑型、高事件率实验，实现强子截面测量的百分之一水平精度？
• RQ5 在重叠束流能量下，测量得到的截面与现有模型及数据相比如何？

主要发现

• 该实验预计可将中微子通量预测不确定性降低约一半，从约10%降至约5%。
• 2018年的原理验证测量已证明，仅需数天束流时间，即可高精度测量弹性散射截面。
• 第一阶段（2020年）将收集70种不同束流种类、束流动量与靶材组合的数据，重点聚焦于散射与低接受度产生过程。
• 第二阶段将扩展至全接受度测量，提升至8 GeV/c的轨迹测量与粒子鉴别能力。
• 第三阶段将通过在下游RICH系统中使用高折射率气体，将粒子鉴别能力扩展至15 GeV/c。
• 由于采用成熟探测器技术、紧凑设计及简单触发系统带来的高数据采集效率，该实验风险较低。