[论文解读] Measurement of the longitudinal diffusion of ionization electrons in the MicroBooNE detector

Collaboration, The MicroBooNE, P. Abratenko+181 more|arXiv (Cornell University)|Apr 15, 2021

Dark Matter and Cosmic Phenomena参考文献 23被引用 20

一句话总结

本论文首次测量了在中微子束中运行的大型液氩时间投影室（LArTPC）中纵向电子扩散系数，$D_L = 3.74^{+0.28}_{-0.29}$ cm²/s，该装置为85吨级的MicroBooNE，电场强度为273.9 V/cm。利用约70,000条宇宙射线μ子轨迹，研究通过波形分析和与漂移时间相关的脉冲展宽方法提取$D_L$，并通过模拟验证了该方法，并量化了来自探测器响应和漂移速度的系统不确定性。

ABSTRACT

Abstract: Accurate knowledge of electron transport properties is vital to understanding the information provided by liquid argon time projection chambers (LArTPCs). Ionization electron drift-lifetime, local electric field distortions caused by positive ion accumulation, and electron diffusion can all significantly impact the measured signal waveforms. This paper presents a measurement of the effective longitudinal electron diffusion coefficient, DL, in MicroBooNE at the nominal electric field strength of 273.9 V/cm. Historically, this measurement has been made in LArTPC prototype detectors. This represents the first measurement in a large-scale (85 tonne active volume) LArTPC operating in a neutrino beam. This is the largest dataset ever used for this measurement. Using a sample of ∼70,000 through-going cosmic ray muon tracks tagged with MicroBooNE's cosmic ray tagger system, we measure DL = 3.74+0.28 -0.29 cm2/s.

研究动机与目标

• 在真实中微子束条件下，测量大型液氩时间投影室（LArTPC）中有效纵向电子扩散系数$D_L$。
• 利用模拟数据验证测量方法，并评估来自探测器响应、漂移速度和波形叠加的系统不确定性。
• 通过在全运行状态LArTPC中进行高统计量测量，解决现有$D_L$测量结果与理论模型之间的差异。

提出的方法

• 使用MicroBooNE宇宙射线标记系统筛选约70,000条贯穿型宇宙射线μ子轨迹，以隔离清洁、长漂移路径的轨迹。
• 从Y平面电极读出信号中提取波形，并通过去卷积去除探测器响应的影响。
• 将脉冲形状方差随漂移时间的变化拟合至关系式$\sigma^2(t) = \sigma_0^2 + 2D_L t$，其中$D_L$为纵向扩散系数。
• 通过模拟数据集验证分析流程，以确认$D_L$提取方法的灵敏度和一致性。
• 通过改变关键输入参数（探测器响应函数、漂移速度、横向扩散及波形叠加方法）量化系统不确定性。
• 将互不相关的系统不确定性按平方和开方方式合并，以确定最终$D_L$的不确定性。

实验结果

研究问题

• RQ1 在中微子束中运行的大型LArTPC中，纵向电子扩散系数$D_L$的值是多少？
• RQ2 来自探测器响应和漂移速度的系统不确定性如何影响$D_L$的测量？
• RQ3 所测得的$D_L$与理论模型（Atrazhev-Timoshkin）及先前实验数据（Li et al., ICARUS）相比如何？
• RQ4 漂移电子之间的库仑排斥是否是$D_L$测量中显著的系统误差来源？
• RQ5 在单波形事件中，电子扩散是否可用于重建相互作用时间$t_0$？

主要发现

• 在MicroBooNE中测得的纵向电子扩散系数为$D_L = 3.74^{+0.28}_{-0.29}$ cm²/s，电场强度为273.9 V/cm。
• 该测量结果与Atrazhev-Timoshkin理论预测以及ICARUS实验结果一致，但低于Li et al.的参数化结果。
• 系统不确定性主要来源于探测器响应函数（6.5%）和漂移速度（±3.9%/−4.1%），其余因素均为次要贡献。
• 未观察到脉冲宽度与$\sqrt{t}$之间存在显著非线性关系，表明漂移电子间的库仑排斥贡献可忽略。
• 该测量是首次在85吨级大型LArTPC中于中微子束中完成，且为该物理量迄今最大的数据集。
• 与先前测量相比，该结果显著降低了$D_L$的不确定性，支持未来LArTPC物理分析中更精确的建模。