[论文解读] The CAPTAIN Detector and Physics Program

The CAPTAIN Collaboration, H. Berns+45 more|arXiv (Cornell University)|Sep 6, 2013

Neutrino Physics Research参考文献 9被引用 23

一句话总结

CAPTAIN实验计划在洛斯阿拉莫斯国家实验室部署一个5吨液氩时间投影室（LArTPC），以高精度测量氩中中子和中微子的相互作用。利用激光校准、光子探测以及散裂中子源（SNS）和NuMI的束流线，该实验将首次实现对低能中微子截面和中子能量标记的测量，这对超新星和长基线中微子物理至关重要。

ABSTRACT

The Cryogenic Apparatus for Precision Tests of Argon Interactions with Neutrino (CAP- TAIN) program is designed to make measurements of scientific importance to long-baseline neutrino physics and physics topics that will be explored by large underground detectors. The CAPTAIN detector is a liquid argon TPC deployed in a portable and evacuable cryostat. Five tons of liquid argon are instrumented with a 2,000 channel liquid argon TPC and a photon detection system. Subsequent to the commissioning phase, the detector will collect data in a high-energy neutron beamline that is part of the Los Alamos Neutron Science Center to measure cross-sections of spallation products that are backgrounds to measurements of neutrinos from a supernova burst, cross-sections of events that mimic the electron neutrino appearance signal in long-baseline neutrino physics and neutron signatures to constrain neutrino energy reconstruction in LBNE's long-baseline program. Subsequent to the neutron running, the CAPTAIN detector will be moved to a neutrino source. Two possibilities are an on-axis run in the NuMI beamline at FNAL and a run in the neutrino source produced by the SNS. An on-axis run at NuMI produces more than one million events of interest in a two or three year run at neutrino energies between 1 and 10 GeV - complementary to the MicroBooNE experiment, which will measure similar interactions at a lower energy range - 0.5 to 2 GeV. At the SNS the neutrinos result from the decays stopped positively charged pions and muons yielding a broad spectrum up to 50 MeV. If located close to the spallation target, CAPTAIN can detect several thousand events per year in the same neutrino energy regime where neutrinos from a supernova burst are. Measurements at the SNS yield a first measurement of the cross- section of neutrinos on argon in this important energy regime.

研究动机与目标

• 测量与超新星爆发中微子探测和长基线中微子振荡实验相关的氩中中子相互作用截面。
• 开发并测试液氩TPC中中子能量重建与标记技术，以提高总中微子能量测量的精度。
• 首次利用位于散裂中子源（SNS）的液氩TPC测量低能中微子在氩上的截面。
• 验证校准和探测策略——尤其是激光校准和光子探测——以支持未来大型LArTPC探测器（如LBNE中的探测器）的建设。
• 通过提供带电电流和中性电流相互作用、退激发伽马射线标记及本底抑制的关键数据，支持LBNE的物理计划。

提出的方法

• 部署一个容积为7,700升的便携式低温杜瓦，内含5吨液氩，配备2,000通道的液氩TPC和光子探测系统。
• 利用激光校准系统和光学窗口，实现对光产额和探测器响应的精确校准。
• 在洛斯阿拉莫斯中子科学中心（LANSCE）进行高强度中子运行，以测量次级产物截面和中子能量沉积。
• 在SNS进行低强度中子和中微子运行，利用停止的π介子源模拟具有50 MeV末端能谱的超新星爆发中微子。
• 在费米国家加速器实验室的NuMI束流线上运行，包括轴向和非轴向构型，以测量1–10 GeV能量范围内的中微子相互作用。
• 利用1,000通道的原型LArTPC测试端到端系统并开发分析技术，为CAPTAIN全面部署做准备。

实验结果

研究问题

• RQ1 在与超新星爆发中微子相关的能量范围内，中子与氩的相互作用截面是多少？
• RQ2 液氩TPC能否准确重建中子能量并探测氩、氯和钾的激发核态的退激发伽马射线？
• RQ3 在真实的地表环境中，液氩TPC对低能中微子相互作用（<50 MeV）的能量分辨率和本底性能如何？
• RQ4 激光校准和光子探测系统在实现液氩中微子相互作用事例的精确标记方面有多高效？
• RQ5 在长基线中微子实验中，为最小化中子本底，最优的探测器构型和屏蔽策略是什么？

主要发现

• 当CAPTAIN探测器位于靶区10–30米范围内时，在SNS运行期间预计每年可收集数千个中微子事例，从而实现对氩上低能中微子截面的首次测量。
• 1,000通道的原型LArTPC将使校准和分析技术的早期测试成为可能，降低全尺寸探测器的实施风险。
• 来自LANSCE束流线的中子数据将提供关键的次级产物截面测量结果，这些结果可模拟长基线实验中电子中微子出现信号的特征。
• SNS的停止π介子源提供了一个特征明确、能谱广泛的中微子束（最高达50 MeV），非常适合模拟超新星爆发中微子。
• 探测器的光子探测系统将能够标记40K、39Ar和37Ar激发核态的退激发伽马射线，这对本底抑制至关重要。
• CAPTAIN计划将为LBNE远端探测器的设计与运行提供关键数据，特别是在光收集和数据获取系统规格方面。