[论文解读] The MINOS Detectors

A. Habig, E. Grashorn|ArXiv.org|Jul 2, 2005

Neutrino Physics Research被引用 10

一句话总结

MINOS实验使用两个磁化铁/闪烁体量能器探测器——近点（16.6米，980吨）和远点（735公里外，5400吨）——通过费米国家加速器实验室NuMI装置产生的长基线中微子束，精确测量中微子振荡参数。探测器实现95%的运行时间，将μ子轨迹分辨率提高到0.25°，并实现了电子能量分辨率23%/√E和强子能量分辨率55%/√E。

ABSTRACT

The Main Injector Neutrino Oscillation Search (MINOS) experiment's primary goal is the precision measurement of the neutrino oscillation parameters in the atmospheric neutrino sector. This long-baseline experiment uses Fermilab's NuMI beam, measured with a Near Detector at Fermilab, and again 735 km later using a Far Detector in the Soudan Mine Underground Lab in northern Minnesota. The detectors are magnetized iron/scintillator calorimeters. The Far Detector has been operational for cosmic ray and atmospheric neutrino data from July of 2003, the Near Detector from September 2004, and the NuMI beam started in early 2005. This poster presents details of the two detectors.

研究动机与目标

• 通过长基线实验，高精度测量大气中微子区域的中微子振荡参数。
• 通过构建两个设计和材料完全相同的探测器，将系统不确定性降至最低。
• 通过磁化铁平面和闪烁体读出，实现带电粒子的电荷识别和动量测量。
• 通过先进的校准和触发系统，实现高探测器性能和数据质量，以实现宇宙射线和中微子事例的重建。
• 自2003–2005年以来，通过宇宙射线μ子研究和束流数据采集，验证探测器运行和数据获取系统。

提出的方法

• 探测器采用2.54厘米厚的AISI 1006低碳钢层（作为靶材和量能器）与掺杂PPO和POPOP荧光体的挤压型闪烁体条带交替排列。
• 闪烁光通过粘贴在条带沟槽中的波长位移（WLS）光纤收集，并传输至端部的光电倍增管（PMTs）。
• 远点探测器采用8:1的条带端部多路复用技术，将多个条带端口连接至单个PMT（Hammamatsu R6000-M16），而近点探测器采用4:1多路复用（M-64 PMTs）以应对更高的事例率。
• 电子学系统包括用于数据获取的定制VME卡，通过Viking VA芯片（远点）和FNAL QIE芯片（近点）实现电荷和时间的数字化，支持19纳秒事件切片。
• 通过紫外LED的光注入系统，向探测器特定区域注入已知光强，校准光学响应。
• 软件触发系统要求5个连续平面中至少4个有信号，或在4个平面窗口内有6个符合1500 ADC计数的信号，以抑制噪声并选择物理事例。

实验结果

研究问题

• RQ1 在磁化铁/闪烁体量能器中，MINOS探测器对中微子相互作用位置和粒子动量的分辨能力有多高？
• RQ2 宇宙射线μ子探测系统的性能如何，包括效率和角度分辨率？
• RQ3 远点和近点探测器在运行时间、数据获取效率和本底抑制方面有何差异？
• RQ4 探测器系统中强子和电磁簇射的能量分辨率是多少？
• RQ5 该探测器系统在多大程度上通过束流和大气中微子数据支持精确的中微子振荡参数测量？

主要发现

• 远点探测器在宇宙射线数据中实现了95%的运行时间，在束流数据中超过99%的运行时间，且通过其 veto 屏蔽系统实现了97%的宇宙射线拒识效率。
• μ子轨迹的空间分辨率为纵向5.94厘米、横向4.1厘米，支持0.25°的角度分辨率。
• 强子簇射的能量分辨率为55%/√E，电子为23%/√E，μ子每块平面平均产生9个光电子。
• 近点探测器在每次8.67微秒的束流脉冲中平均记录20次中微子相互作用，数据连续采集18毫秒，并以19纳秒的时间粒度进行离线切片。
• 自2005年3月以来，远点探测器已观测到每周约几个的大气中微子事例。
• 束流中微子首次在2005年1月的束流测试中被近点探测器观测到，远点探测器在2005年3月束流强度提升后也首次观测到束流中微子。