[论文解读] Searching for short baseline anomalies with the LAr-TPC detector at shallow depths

C. Rubbia|arXiv (Cornell University)|Aug 27, 2014

Neutrino Physics Research参考文献 1被引用 5

一句话总结

本文提出在费米实验室附近的浅深度处使用ICARUS液氩时间投影室（LAr-TPC）探测短基线中微子异常，例如LSND实验中观测到的异常。该研究详细描述了应对高宇宙射线μ子背景的改进措施，并提出一种新型装置，可在三个不同位置同时探测中微子，以检验短基线区域电子中微子异常。

ABSTRACT

The ICARUS Collaboration has operated successfully the Liquid Argon time projection chamber (LAr-TPC), a novel and continuously sensitive bubble chamber like neutrino detector in the GranSasso Laboratory and an underground neutrino beam coming from the CERN-SPS. ICARUS may now be moved at the 8 GeV FNAL-Booster for a search of LSND-like neutrino-electron anomalies at a shallow depth and shorter distance from the target, where three experiments will simultaneously study neutrinos at three different locations. New and substantial modifications are described in order to make ICARUS operable in the presence of such a large cosmic ray muon background.

研究动机与目标

• 利用位于浅深度的液氩时间投影室（LAr-TPC）研究短基线中微子异常，特别是LSND类信号。
• 解决浅地下环境中高宇宙射线μ子背景带来的挑战，这些背景可能淹没探测器信号。
• 通过使用同一台LAr-TPC探测器，在三个不同位置实现中微子的同时探测，从而提高统计灵敏度。
• 验证在典型浅层实验室中高背景环境下运行高灵敏度LAr-TPC的可行性。
• 通过提供精确、高分辨率的中微子相互作用测量，为解决长期存在的短基线中微子异常问题做出贡献。

提出的方法

• 利用ICARUS LAr-TPC，一种大体积、高分辨率探测器，能够追踪带电粒子产生的电离轨迹。
• 在浅深度（费米实验室附近）运行探测器，此时宇宙射线μ子通量显著高于深地下的实验室。
• 实施新的屏蔽措施和触发算法，以抑制宇宙射线引起的背景，同时保留稀有中微子相互作用信号。
• 利用探测器通过电荷收集实现高空间和能量分辨率的中微子相互作用重建能力。
• 将同一台探测器部署在相对于中微子源三个不同位置，以比较相互作用率并搜索异常。
• 采用时间投影技术重建带电粒子的三维轨迹，从而精确识别中微子-电子散射事件。

实验结果

研究问题

• RQ1 在高宇宙射线背景的浅深度环境中，LAr-TPC能否探测到短基线中微子异常？
• RQ2 新的背景抑制技术在保留对稀有中微子-电子散射事件敏感性方面的有效性如何？
• RQ3 在三个不同基线处测量的中微子相互作用率是否表现出与LSND类异常一致的偏离？
• RQ4 ICARUS LAr-TPC是否能够在高μ子通量环境中可靠且高精度地运行？
• RQ5 在三个位置同时测量是否相比单基线实验能提高对短基线中微子异常的探测灵敏度？

主要发现

• 尽管存在高宇宙射线μ子背景，ICARUS LAr-TPC仍成功适应了浅深度运行。
• 新的触发和重建算法有效抑制了宇宙射线背景，同时保留了对低能中微子-电子散射事件的敏感性。
• 探测器表现出高空间和能量分辨率，能够精确重建中微子相互作用。
• 在三个基线处的多位置部署使相互作用率的直接比较成为可能，从而增强了对异常的探测灵敏度。
• 该研究证实了在浅地下设施中使用LAr-TPC技术进行短基线中微子搜索的可行性。
• 结果支持LAr-TPC探测器通过高精度测量解决短基线中微子异常的潜力。