加速器ニュートリノ中性子相互作用実験

加速器ニュートリノ中性子相互作用実験（ANNIE）は、ニュートリノ相互作用の性質を調べるために設計された、提案されている水チェレンコフ検出器実験です。この実験では、ガドリニウムを添加した水でのニュートリノ相互作用を分析し、その中性子収量を測定することにより、陽子崩壊やニュートリノ振動などの現象を研究します。中性子タグ付けは、大気ニュートリノからのバックグラウンド除去において重要な役割を果たします。 ^{[1] LAPPD（}大面積ピコ秒光検出器）の初期プロトタイプを実装することにより、高精度のタイミングが可能になります。ANNIEの提案されている場所は、MiniBooNE実験に関連するブースターニュートリノビームのSciBooNEホールです。ニュートリノビームはフェルミ国立加速器研究所で発生し、ブースターは8 GeVの陽子をベリリウムターゲットに送り、二次パイ中間子とカオンを生成します。これらの二次中間子は崩壊して、平均エネルギー約800 MeVのニュートリノビームを生成します。^[2] ANNIEは2015年夏に設置が開始されます。^[3] ANNIEのフェーズIは、中性子背景のマッピングであり、2017年に完了しました。検出器は、2018年後半に開始される予定の完全な科学運用（いわゆるフェーズII）に向けてアップグレードされています。^[4]

ANNIEは、7.5Hzで動作するブースターニュートリノビーム（BNB）を使用して実行され、 1回の照射で約4 x 10 ^{12個の陽子が標的に照射されます。これらは、1回の照射で1.6マイクロ秒かけて81の束に分割され、SciBooNEホールの上流100}メートルの標的に照射されます。ニュートリノモードでのビームは、約700 MeVのピークエネルギーを持つ94%純粋なミューオンニュートリノです。^[2]

ANNIE が使用する水ターゲットは、長さ 3.8 m、直径 2.3 m の円筒形で、プラスチック製のライナーとアルミニウム製の筐体で覆われています。ターゲットには、8 インチ光電子増倍管が 60 ～ 100 本取り付けられます。SCiBooNE ターゲット内の娘ミューオンの方向を追跡するために使用される鉄シンチレータ サンドイッチ検出器の一部は、ミューオン距離検出器 (MRD) と呼ばれ、ANNIE で使用できます。MRD は、13 層のシンチレータのうち 10 層を抵抗プレート チャンバー (RPC) に置き換えることによって変更されます。このアップグレードにより、各層でセンチメートル レベルの精度が可能になります。さらに、RCP は 1 T の磁場に耐えることができます。このような印加磁場は、 MRD での電荷-スピン再構成を実現するために、将来的には ANNIE に追加される可能性があります。これにより、最高イベント エネルギーでの運動量再構成も可能になります。

検出器の規模が数メートルであることを考えると、検出器内で発生したイベント中に生成されるチェレンコフ放射からの情報を使用して、タイミングに基づいたイベントの再構成が可能になります。必要なピコ秒の時間分解能を達成するために、ANNIEは大面積ピコ秒光検出器（LAPPD）の初期の商用プロトタイプを使用する予定です。^[3]

大面積ピコ秒光検出器は、（8インチ×8インチ×0.6インチ）MCP光検出器です。一般的なPMTは単一ピクセル検出器ですが、LAPPDは、3mmを超える時間と100ピコ秒を超える空間分解能で、単一の検出器内で単一光子の位置と時間を解析できます。初期のモンテカルロシミュレーションでは、この精度のLAPPDを使用すると、ANNIEは数センチメートルのオーダーでトラックと頂点の再構成解像度を備えた追跡検出器として動作できることが示されています。^[5]これらの検出器は開発の最終段階にあります。

指向性ニュートリノビームの使用により、初期のニュートリノエネルギーを再構築し、したがって相互作用中の合計運動量移動を再構築することができます。ANNIEは、全運動量移動の関数として最終状態のニュートリノ存在量の測定値を生成することを目的として、水中でのニュートリノと原子核の相互作用を調べます。中性子捕獲は、高い中性子捕獲断面積を持ち、熱中性子を吸収すると約8MeVのガンマ線を放出する溶媒和ガドリニウム塩によって促進されます。 ^[6]スーパーカミオカンデのような大型水チェレンコフ検出器での大気ニュートリノ相互作用で主に遭遇する陽子崩壊背景事象における中性子収量の特徴付けは、陽子崩壊のような事象の観測の信頼性を高めるのに役立ちます。中性子収量を調べることによって、基準体積内に捕捉されたイベントを、さまざまな荷電電流 ( CC ) および中性電流 ( NC ) イベント タイプに分離することができます。

最終状態で中性子をタグ付けする能力により、ANNIEは特定の核モデルのニュートリノ相互作用の妥当性をテストすることも可能になります。ビームが主にニュートリノであるニュートリノモードでは、CC相互作用では中性子の多重度が低くなることが予想されます。これを使用して、電子ニュートリノ振動候補を中性パイ中間子や光子生成などの背景から区別することができます。 ^[7]さらに、ANNIEはビームラインでの電子ニュートリノの出現を探します。

陽子崩壊は多くの大統一理論の予測である。ANNIEは水チェレンコフ検出器における陽子崩壊と同様の特徴を生成するイベントの中性子収量を特徴付ける。ANNIEが関心を持ち、 GUTの中で最も人気がある陽子崩壊の2つのチャネルは以下の通りである：^[3]

前者は、極小S​​U(5)およびSO(10) GUTモデルで優先される崩壊チャネルであり、後者は、次元5の演算子がストレンジクォークを必要とする崩壊を誘発する超対称GUTの典型です。スーパーカミオカンデは、 10 ³⁴年 を超える最小限界を示しています。

中性パイ中間子チャネルでは、3つのシャワートラックがあり、1つは荷電レプトンから、2つは中性パイ中間子の崩壊生成物から来ている。PDKを確認するには、2つのトラックが中性パイ中間子の不変質量（85-185MeV）に近い不変質量を与え、トラックによって与えられる全不変質量が陽子の不変質量（800-1050MeV）に近く、不平衡運動量が250MeV未満でなければならない。^[8]このチャネルでは、バックグラウンドの81%が荷電電流イベントであり、47%が1つ以上のパイ中間子を含むイベント、28%が準弾性イベントであり^[9]、荷電レプトンが反ミューオンの場合も同様の比率である。荷電K中間子チャネルでは、K中間子の証拠は崩壊生成物に見られ、主に反ミューオンとミューオンニュートリノである。カオンの2番目の共通崩壊経路は荷電パイ中間子と中性パイ中間子を生成する。荷電パイ中間子のその後の崩壊は水チェレンコフ検出器の検出閾値内のミューオンを生成する。したがって、これらの経路は両方ともCC大気ニュートリノ背景の影響を受けやすい。^[10]

陽子崩壊の背景事象は主に1個以上の中性子を生成するが、陽子崩壊では中性子が約6%しか生成されないと予想される^[8]

自由最終状態中性子は、検出器のガドリニウム添加水に捕獲される。数百 MeV のエネルギーを持つ中性子でさえ、水中での衝突により急速にエネルギーを失う。これらの中性子が熱化されると、放射捕獲が行われ、核に取り込まれてより緊密に結合した状態になる。余剰エネルギーはガンマカスケードとして放出される。純水中では、中性子捕獲により約 2.2 MeV のガンマ線が発生する。^[11]中性子捕獲イベントの可視性を高めるために、ガドリニウム塩が ANNIE の水性媒体に溶解される。ガドリニウムの捕獲断面積は約 49,000バーンと大きく、これは自由中性子が放出されてから数マイクロ秒後に発生する。さらに、ガドリニウムの捕獲イベントでは、2～3 ガンマの8 MeVカスケードが発生する。 ^[6]

ニュートリノ相互作用に関連する中性子生成プロセスの性質は十分に理解されていないが、GeVスケールでのそのような相互作用では 1 つ以上の中性子が容易に生成されることが観察されている。最終状態の中性子の数は運動量移動に依存すると予想され、高エネルギー相互作用ではより多くの中性子が生成される。この現象は大型水チェレンコフ検出器で文書化されている。^{[12]これらの特徴的なニュートリノ イベントは}PDKバックグラウンドの大部分を構成している。中性子の存在はバックグラウンド イベントを排除するために使用できるが、中性子がまったく存在しないとPDKイベントの観測の信頼性が大幅に向上する可能性がある。ANNIE は、大気ニュートリノ相互作用の適用に最適化された中性子タグ付け実験に基づいて、バックグラウンド イベントの排除における正確な信頼性を特徴付けようとする。このような外挿は、ブースター ニュートリノ ビームのフラックスプロファイルと大気ニュートリノ フラックスの類似性により可能となる。^{[2] [13]}

ANNIE における中性子バックグラウンドは、主に上流の周囲の岩石とのニュートリノの相互作用によって発生します。

• 2015年夏にインストール開始
• 2015年秋～2016年春開催

ANNIE は中性子バックグラウンドの特性を明らかにすることを目的としています。LAPPD が利用可能になるまで、初期実行は 60 個のタイプ S PMTではなく、これらを使用して行われます。この時間はプロトタイプの LAPPD をテストするために使用されます。さらに、移動可能な少量のガドリニウム添加水を使用して、タンク内の位置の関数として中性子イベントのレートを測定します。

• 2016年夏インスタレーション

ANNIE は、十分な数の LAPPD が取得されると、このフェーズを開始します。このフェーズでは、ガドリニウムをドープした水の全量、60 個のタイプ S PMT、少数だが十分な数の LAPPD、および改修された MRD を使用します。最初の測定は、運動量移動と可視エネルギーの関数としての中性子収量です。このフェーズの目的は、完全な DAQ、追跡用の LAPPD の正常な動作、追跡用の MRD の正常な動作、および完全なタイミング キャリブレーションを実証することです。

• 2017年秋またはフェーズIIの完了後2018年秋まで実施

この段階では、ANNIE 検出器が完全に実現されます。LAPPD のカバレッジは等方的に10% 以上になり、これは 50 ～ 100 個の LAPPD に相当します。この段階では、運動学の詳細な再構築が可能になり、最終状態粒子によって決定されるイベント クラスの中性子収量の測定が可能になります。フェーズ III は、フェーズ I と II のシミュレーションとデータに基づいてPDKバックグラウンドを識別するように設計されます。

• 「ANNIEホームページ」 。 2016年10月10日閲覧。
• INSPIRE-HEPの ANNIE の記録