[论文解读] Study of a New Target Design with an Additional Horn for NuMI Beam

Jyoti Tripathi|arXiv (Cornell University)|Oct 10, 2017

Radiation Therapy and Dosimetry参考文献 1被引用 3

一句话总结

该论文提出了一种新型NOvA靶设计，通过在Horn 1中插入石墨鳍片，并在stripline上6 m和16 m处增设一个与现有Horn 2相同的附加Horn 2，以增强中微子产额。模拟结果显示，在远端探测器中，$ν_{\mu}$事例数增加21.7%，$ν_e$污染减少25.4%，且在FHC和RHC配置下性能均达到最优，中微子能谱峰位置未发生偏移。

ABSTRACT

This paper describes the simulation studies done for the standard NOvA target and the proposed new minimal NOvA target design, in forward and reverse horn current for studying the neutrino and antineutrino event yield and the background contamination at the near and far detector. The standard NOvA target is segmented into 48 graphite segments (fins) with two magnetic horns, Horn 1 placed at MCZERO and Horn 2 placed at 19.18 m from MCZERO. The new minimal target design has 24 graphite fins extended into Horn 1. It shows the study for the position optimization of the Horn 2 relative to Horn 1 for the standard and the new minimal target design. The effect of introducing an additional horn (identical to Horn 2) with the new minimal target design, on the neutrino yield and the energy spectra, has also been explored.

研究动机与目标

• 通过重新设计插入磁质子管中的靶，以提高NOvA实验中中微子的产额，实现更优聚焦。
• 评估在stripline上增设一个与现有Horn 2相同的附加Horn 2，以重新聚焦被Horn 1过度聚焦的低能π介子的影响。
• 优化第二个Horn 2相对于Horn 1及新靶设计的位置，以实现中微子通量增益最大。
• 评估在高质子束流靶条件下，新最小化靶设计的可行性与性能表现。
• 量化新靶设计与标准靶及质子管配置相比，在$ν_{\mu}$、$υ_{\mu}$和$ν_e$事例产额及污染水平方面的改进程度。

提出的方法

• 采用FLUGG模拟框架，集成Geant4几何模型与FLUKA物理模型，模拟NuMI束线中粒子相互作用与衰变过程。
• 建模新型最小化靶，包含24个上游鳍片（与标准设计相同）和24个下游鳍片（高度降低至17 mm），插入Horn 1以改善束线集成性能。
• 模拟束线条件为1.1 mm束斑、200 kA质子管电流和6×10^20质子/靶，结果按比例缩放用于对比。
• 在不同位置（6 m和16 m）设置两个相同的Horn 2，以研究从Horn 1以大角度射出的π介子的重新聚焦效果。
• 扫描第二个Horn 2相对于第一个Horn 2及Horn 1的位置，识别中微子产额最大的最优配置。
• 对比标准与新靶设计在FHC与RHC模式下$ν_{\mu}$、$ν_e$、$υ_{\mu}$和$ν_e$污染的事件产额与能谱分布。

实验结果

研究问题

• RQ1 当仅使用新最小化靶设计与Horn 1时，远端探测器中$ν_{\mu}$事例产额的增益是多少？
• RQ2 在优化位置增设附加Horn 2后，与标准配置相比，中微子通量和能谱形状有何变化？
• RQ3 在FHC与RHC模式下，使用新靶设计并配备双Horn 2时，$ν_e$污染与$ν_{\mu}$产额的改善程度如何？
• RQ4 在新靶设计中插入鳍片是否保持了中微子能谱峰位置不变，同时提升产额？
• RQ5 为实现最大中微子产额，第二个Horn 2相对于第一个Horn 2及Horn 1的最优位置是什么？

主要发现

• 与标准靶相比，新最小化靶设计在FHC配置下，使近端探测器中$ν_{\mu}$事例产额提高11.5%，远端探测器提高11.3%。
• 在6 m和16 m处增设第二个Horn 2后，远端探测器中$ν_{\mu}$事例产额提高21.7%，$ν_e$污染减少25.4%。
• 使用新靶设计时，$ν_{\mu}$能谱峰位置保持不变，表明尽管产额增加，但能谱未发生畸变。
• 在RHC配置下，新靶设计配合双Horn 2时，近端探测器中$υ_{\mu}$产额提高24.7%，远端探测器提高22.8%，$ν_e$污染增加36.4%。
• 实现最大$ν_{\mu}$产额的最优配置为：第一个Horn 2位于距MCZERO 6 m处，第二个Horn 2位于16 m处，优于标准配置与单Horn 2配置。
• 在FHC模式下，新靶设计使近端探测器中$ν_e$事例产额提高29.6%，远端探测器提高30.2%，表明对$ν_{\mu} \to \u03bd_e$振荡的探测灵敏度得到提升。