[论文解读] Proposal for SPS beam time for the baby MIND and TASD neutrino detector prototypes

R. Asfandiyarov, R. Bayes+23 more|arXiv (Cornell University)|May 23, 2014

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 4被引用 8

一句话总结

本文提出在CERN SPS H8束流线对原型中微子探测器——婴儿MIND（磁化铁中微子探测器）和TASD（全活性闪烁体探测器）——进行束流测试。这些原型采用塑料闪烁体条并由硅光电倍增管（SiPMs）读出，在磁场环境下测试，以优化未来长基线中微子实验中对μ子和π子的识别、电荷分离及能量分辨率。

ABSTRACT

The design, construction and testing of neutrino detector prototypes at CERN are ongoing activities. This document reports on the design of solid state baby MIND and TASD detector prototypes and outlines requirements for a test beam at CERN to test these, tentatively planned on the H8 beamline in the North Area, which is equipped with a large aperture magnet. The current proposal is submitted to be considered in light of the recently approved projects related to neutrino activities with the SPS in the North Area in the medium term 2015-2020.

研究动机与目标

• 在真实束流和磁场条件下验证基于固态塑料闪烁体的原型（TASD和婴儿MIND）的性能。
• 为未来长基线中微子实验（如LBNO、Hyper-Kamiokande和中微子工厂）优化探测器设计。
• 在磁场中提高μ子和π子的电荷识别效率与动量分辨率，这对探测CP破坏和中微子质量顺序至关重要。
• 利用测试束流的实验数据校准并验证重建算法，特别是数字化和触发点重建过程。
• 通过细分割和优化的SiPM与WLS光纤读出方案，降低每通道成本，同时保持高性能。

提出的方法

• 婴儿MIND原型由51块铁板（厚3.0 cm）构成，配有8,736根塑料闪烁体条（长90 cm，截面1.0×0.725 cm²），通过WLS光纤和SiPM读出，用于μ子跟踪与电荷识别。
• TASD原型采用相同的闪烁体模块（52个模块，每个模块含168根条），共8,736根条，专为带电粒子的高分辨率能量与位置测量而设计。
• 两个探测器计划安装在CERN北区的H8束流线上，TASD置于Morpurgo磁铁内部，婴儿MIND则位于下游两个位置之一。
• 读出系统采用EASIROC芯片作为前端电子，支持多种读出模式和数据流配置，以优化动态范围与噪声性能。
• 实施了慢控系统，用于监测探测器状态并确保束流测试期间的稳定运行。
• 通过模拟预测μ子与π子的重建效率，目标背景抑制率达到10⁴分之一（即错误电荷μ子事件的背景抑制为1 in 10⁴）。

实验结果

研究问题

• RQ1 婴儿MIND原型在磁场中可实现的μ子电荷识别效率是多少？是否能满足中微子工厂‘黄金道’中1 in 10⁴的背景抑制要求？
• RQ2 TASD原型在磁场中对电子与μ子电荷分离的分辨能力如何，特别是在电子中微子相互作用中？
• RQ3 在束流条件下，闪烁体模块的能量与位置分辨率如何？与模拟预测相比有何差异？
• RQ4 在磁场存在下，数字化与触发点重建过程如何影响动量分辨率与粒子识别性能？
• RQ5 TASD与婴儿MIND之间能否有效复用探测器模块（包括闪烁体、SiPM、连接器与读出电子学），从而降低成本？

主要发现

• 婴儿MIND原型总铁质量达54吨，配备8,736根闪烁体条，可实现高精度的μ子动量与电荷测量。
• TASD原型预计能量分辨率约为21.42%/√E（GeV）（电子）、56.6%/√E（质子）和56.1%/√E（π子），基于类似装置的校准数据。
• μ子重建效率模拟显示，在0.5–5 GeV/c动量范围内性能优异，这对探测中微子振荡信号至关重要。
• π子重建效率模拟表明其在强子簇射重建方面具有显著潜力，对区分带电流与中性流中微子相互作用至关重要。
• 采用SiPM与WLS光纤可实现高动态范围与低噪声读出，每台探测器总光纤长度达12,000米。
• 在H8的布局设计允许TASD与婴儿MIND依次测试，且具备模块复用潜力，可显著降低总体成本。