[论文解读] Tagged Neutron, Anti-neutron and K-Long beams in an Upgraded MIPP Spectrometer

R. Raja|ArXiv.org|Jan 23, 2007

Nuclear Physics and Applications被引用 3

一句话总结

本文提出利用升级后的MIPP谱仪，通过低温氢靶中的边缘反应产生标记中性粒子（中子、反中子、$K^0_L$）束流。通过应用约束拟合技术实现四维动量重建，能量分辨率优于2%，该装置可实现量热器的精确校准，用于粒子流算法研究，每天可产生数以万计的标记中性粒子。

ABSTRACT

The MIPP experiment operating with an upgraded data acquisition system will be capable of acquiring data at the rate of 3000 events per second. Currently we are limited to a rate of 30 Hz due to the bottlenecks in the data acquisition electronics of the Time Projection Chamber (TPC). With the speeded up DAQ, MIPP will be capable of acquiring data at the rate of $\approx$5 million events per day. This assumes a conservative beam duty cycle of 4~sec spill every 2 minutes with a 42% downtime for main injector beam manipulations for the $\bar{p}$ source. We show that such a setup is capable of producing tagged neutron, anti-neutron and $K^0_L$ beams that are produced in the MIPP cryogenic hydrogen target using proton, anti-proton and $K^{\pm}$ beams. These tagged beams can be used to study calorimeter responses for use in studies involving the Particle Flow Algorithm (PFA). The energy of these tagged beams will be known to better than 2% on a particle by particle level by means of constrained fitting. We expect a tagged beam rate in the tens of thousands a day. The MIPP spectrometer thus offers a unique opportunity to study the response of calorimeters to neutral particles.

研究动机与目标

• 实现高流强标记中性粒子（中子、反中子、$K^0_L$）的产生，用于量热器响应研究。
• 提高强子量热器校准的精度，支持粒子流算法（PFA）的发展。
• 利用高流强数据采集系统中的约束拟合技术，实现对单个中性粒子能量的亚2%精度测量。
• 利用升级后MIPP谱仪的3000 Hz数据率和每天500万事件的性能，收集核靶上高精度的强子产生数据。
• 探索$K^0_L$束流在产生时具有纯$K^0$和$\bar{K}^0$态的潜力，为未来的CP破坏研究提供可能。

提出的方法

• 使用低温液态氢靶，实现通过边缘反应产生标记中子、反中子和$K^0_L$粒子。
• 利用束流诱导反应，如$pp \rightarrow n\pi^+p$、$K^+p \rightarrow \bar{K}^0\pi^+p$、$K^-p \rightarrow K^0\pi^-p$ 和 $\bar{p}p \rightarrow \bar{n}\pi^-p$，通过Pomeron交换机制。
• 应用约束拟合（四维拟合，4-C fit）技术，利用已知的束流动量和靶质子质量，实现末态粒子四维动量的重建，能量分辨率优于2%。
• 通过差分切伦科夫探测器和飞行时间系统实现束流粒子的鉴别，以触发特定束流种类（质子、反质子、奇异粒子）。
• 实施升级后的数据采集系统，维持3000 Hz的事件率，实现每2分钟一次4秒束流间隙下约500万天事件数。
• 用ILC测试量热器替换现有量热器，以在受控束流环境中研究中性粒子的响应特性。

实验结果

研究问题

• RQ1 高流强、高接受度的谱仪能否以足够精度产生标记中性粒子（中子、反中子、$K^0_L$），以满足量热器校准需求？
• RQ2 在利用测量的带电粒子动量和束流约束条件下，约束拟合技术在多大程度上可降低重建中性粒子动量的能量不确定性？
• RQ3 在不同束流动量（10–60 GeV/c）下，标记$K^0_L$、中子和反中子束流的预期事件率是多少？
• RQ4 与核靶相比，使用液态氢靶如何提高约束拟合的可行性？
• RQ5 标记$K^0_L$束流是否能在产生顶点处呈现纯$K^0$或$\bar{K}^0$态，从而为未来CP破坏研究提供可能？

主要发现

• 升级后的MIPP谱仪可实现约3000 Hz的数据采集率，每2分钟一次4秒束流间隙，每天约产生500万事件，系统停机时间约为42%。
• 通过约束拟合技术，可在单个粒子基础上实现能量分辨率优于2%的标记中子、反中子和$K^0_L$束流。
• 对于$K^+p \rightarrow pK^0_L\pi^+$反应，在60 GeV/c束流动量下，预期事件率可达每天约15,750次。
• 对于$K^-p \rightarrow pK^0_L\pi^-$反应，在30 GeV/c束流动量下，事件率峰值可达每天约14,175次。
• 对于$\bar{p}p \rightarrow p\bar{n}\pi^-$反应，在60 GeV/c束流动量下，事件率可达每天约13,550次。
• $K^0_L$束流在产生顶点处为纯$K^0$或$\bar{K}^0$态，具备开展未来CP破坏研究的潜力。