[论文解读] Total Neutron Cross-section Measurement on CH with a Novel 3D-projection Scintillator Detector

Agarwal, A., H. Budd+60 more|arXiv (Cornell University)|Jun 28, 2022

Neutrino Physics Research被引用 4

一句话总结

本研究提出一种新型三维投影闪烁体探测器，用于测量98–688 MeV中子动能范围内碳氢化合物（CH）的总中子截面。通过精确的顶点重建和系统性不确定度建模，实验在98–688 MeV能量范围内测得总截面为0.36 ± 0.05 barns，与Geant4 Bertini模型结果良好一致，为长基线中微子振荡实验中减少系统性不确定度提供了关键数据。

ABSTRACT

In order to extract neutrino oscillation parameters, precision long-baseline neutrino oscillation experiments rely on detailed models of neutrino interactions with nuclei. These models constitute an important source of systematic uncertainty, partially because detectors to date have been blind to final state neutrons. Three-dimensional projection scintillator trackers comprise components of the near detectors of the next generation long-baseline neutrino experiments. Due to the good timing resolution and fine granularity, this technology is capable of measuring neutron kinetic energy in neutrino interactions on an event-by-event basis and will provide valuable data for refining neutrino interaction models and ways to reconstruct neutrino energy. Two prototypes have been exposed to the neutron beamline at Los Alamos National Laboratory (LANL) in both 2019 and 2020, with neutron energies between 0 and 800 MeV. In order to demonstrate the capability of neutron detection, the total neutron-scintillator cross section is measured and compared to external measurements. The measured total neutron cross section in scintillator between 98 and 688 MeV is 0.36 $\pm$ 0.05 barn.

研究动机与目标

• 在宽广能量范围（98–688 MeV）内测量碳氢化合物（CH）的总中子截面，以改进长基线振荡实验中的中微子相互作用模型。
• 解决以往实验中因未探测到末态中子而导致中微子截面模型存在显著系统性不确定度的问题。
• 验证新型三维投影闪烁体追踪器在高精度重建中子顶点位置方面的性能。
• 量化并最小化来自探测器对准、光产额、时间分辨率及重建效应的系统性不确定度。
• 提供与现有数据一致的基准测量结果，同时减少对基于模拟的中子探测假设的依赖。

提出的方法

• 采用具有精细颗粒度和优异时间分辨率的三维投影闪烁体追踪器，沿z轴重建中子相互作用顶点。
• 对各能量区间的重建z顶点分布进行指数拟合，以提取总截面，系统性不确定度独立变化并按平方和相加。
• 执行广泛的验证检查：数据与蒙特卡罗模拟的一致性、逐日数据一致性、拟合范围变化以及常数背景项的引入。
• 重建的截面与真实蒙特卡罗截面进行对比，偏差在不确定度范围内。
• 应用几何接受度修正，并在不确定度预算中考虑不可见散射、准直器相互作用及探测效率不足的影响。
• 采用多层探测器结构，包含38个z层，以确保能量依赖截面提取所需的统计与空间分辨率。

实验结果

研究问题

• RQ1 三维投影闪烁体探测器在98–688 MeV范围内测量总中子-CH截面的精度如何？
• RQ2 系统性不确定度（尤其是来自探测器对准、光产额和重建）对最终截面测量的影响程度如何？
• RQ3 在98–688 MeV范围内，测量得到的总中子-CH截面与Geant4 Bertini模型相比如何？
• RQ4 中子-氢相互作用对整体CH截面的影响是什么？该测量如何约束这一贡献？
• RQ5 探测器的重建性能能否在最小偏差下通过蒙特卡罗模拟进行验证？

主要发现

• 在98–688 MeV能量积分范围内，总中子-CH截面测量值为0.36 ± 0.05 barns，卡方/自由度为22.03/38。
• 在中子能量低于200 MeV时，测量截面略高于Geant4 Bertini模型，卡方/自由度为16.1/18。
• 在200–688 MeV范围内，测量结果与Geant4 Bertini模型具有良好一致性，表明该区域模拟性能可靠。
• 总不确定度主要由与探测相关的系统性效应主导，包括不可见散射、光产额和重建不确定度。
• 验证检查（包括逐日一致性、拟合范围变化及背景项引入）证实了分析的稳健性与一致性。
• 测量截面与现有中子-碳总截面测量结果一致，表明CH中中子-氢相互作用的贡献较小。