費米實驗室微中子振盪實驗中微中子通量的時間切片研究

核心概念

利用縮短質子束團長度和時間切片技術，可以更精確地測定微中子能量譜，從而減少微中子實驗中的系統誤差，並有助於探索新的物理現象。

摘要

摘要
長基線和短基線微中子振盪實驗，如 DUNE、SBND，需要高精度地減少系統誤差，特別是與微中子-核相互作用截面相關的誤差。頻閃觀測法提供了一種捕捉不同微中子能譜的方法，有助於分離通量和截面不確定性。本報告概述了產生短質子束團長度和沿增強型微中子束線 (BNB) 傳輸窄束的方法，這是成功實施頻閃觀測法的必要步驟。
引言
下一代長基線和短基線微中子實驗旨在將質子束功率提高到兆瓦級，並利用大型探測器來克服事件統計的限制。位於長基線微中子設施 (LBNF) 的深地底微中子實驗 (DUNE) [1] 將通過研究長基線上的高強度 νμ (反 νμ) 束到 νe (反 νe) 的振盪特徵來測試三微中子味範式並直接搜尋 CP 破壞。增強對微中子能譜的了解對於改進事件重建和減少系統誤差至關重要。系統不確定性的最大來源之一來自微中子-核相互作用截面。更好地理解這些截面對於提高 DUNE 振盪測量的精度和推進微中子物理學至關重要。
頻閃觀測法 [2] 介紹了一種利用軸上探測器捕捉不同微中子能譜的強大方法，為控制通量和截面相關的系統誤差提供了額外的槓桿作用。通過產生短質子束團長度 (O(100 ps))、實現快速探測器計時以及與目標處的質子束團同步，該技術可以更精確地估計微中子能量。當應用於 DUNE 或 SBND 等長基線和短基線實驗時，頻閃觀測法可以顯著提高微中子能量測量的精度，並有助於搜尋新的物理現象。
要應用這種方法，窄質子束是必不可少的。本報告重點關注為增強型微中子束 (BNB) 目標創建窄質子束和表徵束流損失，並有可能應用於長基線和短基線微中子振盪實驗。
頻閃觀測法對微中子振盪實驗的附加價值
頻閃觀測法利用了真實微中子能量與探測器到達時間之間的相關性，從寬帶微中子束中選擇不同的能譜。該技術補充了 DUNE 和其他實驗使用的“精密反應無關譜測量 (PRISM)” [3] 方法，該方法對多個離軸測量值進行採樣，以減少相互作用建模中的系統不確定性。獨特的是，頻閃觀測法提供了在遠探測器處獲取真實能量信息的方法，這是 DUNE 實驗的其他部分無法實現的。通過選擇較晚到達的微中子，我們可以選擇更純的低能通量，從而更好地測量遠探測器中第二次振盪最大值 [4] 處的 νe 出現。此外，還可以通過時間選擇來分離光束的不同組成部分。
頻閃觀測法的機制如下。質子撞擊目標，產生強子，如π介子和 K 介子，它們衰變為μ子和微中子，如圖 1 所示。能量為 E 的亞相對論母強子與以接近光速 (c) 運動的高能強子到達探測器的時間差由公式 1 中的 ΔT 給出。
ΔT = ΔThad + ΔLν / c - (Δzhad + Δzν) / c (1)
ΔT ≈ ΔThad - Δzhad / c (2)
對於 ΔLν ≈ Δzν，公式 1 可以寫成公式 2。
這裡 ΔLhad 是強子產生後到衰變處的距離，Δzhad 是該強子沿束軸運動的距離，ΔThad 是強子在實驗室參考系中的飛行時間。在這個例子中，π介子衰變為μ子和μ子微中子。術語 ΔLν 是到探測器的距離。所以，ΔLν / c 是微中子的渡越時間。Δzν 項是微中子從產生到探測器沿束軸運動的距離，ΔTν 是微中子的飛行時間。對於亞相對論強子，ΔT 在最低能量時接近於靜止參考系中的強子衰變時間。當低能強子的速度達到光速 c 時，ΔT 變為零。因此，在亞相對論強子衰變為微中子之前，會產生一個非零的時間擴展，然後微中子將以接近光速 c 的速度運動。
然而，如果微中子具有非零質量，則由於其略低於光速的速度，渡越時間 ΔTν 將取決於微中子的能量。微中子的總能量可以用相對論方程來描述：
Etotal = √((pc)^2 + (mνc^2)^2)
其中：

Etotal 是總能量（靜止質量能和動能之和），
p 是相對論動量，
c 是光速，
mν 是微中子的靜止質量。
對於像微中子這樣的高相對論粒子，其動能遠大於其靜止質量能。我們也可以將動能表示為：
Ekinetic = Etotal - mνc^2
對於低動能，我們需要實際的微中子質量 mν。關於氚衰變中微中子質量的運動學搜尋的最新結果來自 KATRIN [5]，該實驗迄今為止沒有發現 mνe ≠ 0 的跡象，並設定了一個上限：
meff νe < 0.8 eV (置信度為 90%)
對於其他味，PDG [6] 列表部分中彙編的當前限制為：
meff νμ < 190 keV (置信度為 90%) 來自 π−→μ−+ ¯νμ
meff ντ < 18.2 MeV (置信度為 95%) 來自 τ −→nπ+ντ
圖 2 中的左圖和右圖分別顯示了使用 LBNF 束流 [7] 的模擬數據，ΔT 與所有強子能量和微中子能量之間的分佈，其中所有質子都具有零束團寬度，即它們同時撞擊目標。根據微中子到達時間譜，π介子能量微分的時間分佈非常尖銳，並有一個寬尾。微中子束流的系統不確定性，如目標中強子產生的角度和能量不確定性，可能會影響真實微中子能量與測量的微中子到達時間之間的相關性，這些影響必須通過模擬來研究。然而，束流線中的磁聚焦將使低能母強子比高能母強子彎曲得更多，從而可能加劇時間差。強子在高能下存活的時間越長，它們的角度擴展就越有限。束流管道也將限制高能強子的接受度。由於距離較遠，遠探測器的角度接受度甚至更窄。
對於從寬帶微中子束中分離輕子味和母強子的微中子通量成分，計時也很有用。稀有的 ντ 候選者主要由短壽命的 τ 輕子產生，它們的產生將在最早的時間片中得到增強。因此，應用頻閃觀測法有助於 ντ 能量重建、ντ 荷電流相互作用的測量以及遠探測器處 νμ 到 ντ 的振盪概率。
長基線微中子實驗正在進入一個精確的時代，需要將系統誤差降低到百分之幾的水平才能實現其物理目標。LBNF 涵蓋了廣泛的能量範圍。它能夠在很寬的範圍內對振盪譜進行形狀擬合，但微中子能量的重建和束流成分的了解也帶來了挑戰。這些系統誤差最具挑戰性的來源之一來自通量以及微中子-核相互作用截面。目前對可觀測末態粒子對入射微中子能量的依賴性尚不清楚。通常，微中子能量是通過觀察末態來確定的。然而，來自中子和核效應的缺失能量會影響末態。這導致 Erec 相對於 Etrue 的拖尾效應，這被稱為“下饋”效應。微中子相互作用產生的強子有可能在離開原子核之前與核介質重新相互作用，而末態相互作用 (FSI) 可以改變出射強子的多重性和末態運動學。這可能導致對初級微中子相互作用的錯誤解釋。重建微中子能量中的下饋效應是由未被探測到的粒子（如中子和低能帶電π介子）的缺失能量引起的。
近探測器和遠探測器處的微中子能譜不同。由於振盪，微中子通量也不同。遠近事件率比作為真實微中子能量的函數的下饋效應不會抵消。我們不是直接測量微中子通量，而是測量事件率，它是通量乘以相互作用截面。如果通量和截面都有不確定性，我們就無法明確地判斷我們的模型是否都正確，或者兩者都以導致近似正確的事件率預測的方式錯誤。重建能量下饋、截面隨能量的變化以及 DUNE 束流的寬帶特性加劇了這種情況。更好地理解截面對 DUNE 實驗和整個微中子物理學至關重要。更好地了解微中子-核截面將提高我們對振盪測量的精度。通過識別與重建無關的可觀測量，例如微中子到達時間或近探測器的離軸角度位置，我們可以分離同一束流內的不同能譜，並有效地解開通量和截面不確定性。
在頻閃觀測法中，通量在時間上被分箱，類似於 DUNE PRISM 中的分箱。然而，最獨特的特點是時間信息也可以應用於遠探測器。這是 PRISM 方法無法做到的。利用時間信息，可以將振盪的遠探測器光譜劃分為比沒有時間信息時獲得的寬帶非振盪通量更窄的真實微中子能量箱。利用 DUNE PRISM，一個可移動的近探測器在不同位置對不同的微中子能譜進行採樣，並在二維微中子通量中建立二維測量。
為了使 PRISM 方法良好地工作，需要找到構成基礎的通量，這些通量可以再現任何振盪的 FD 通量。任何差異都使用蒙特卡羅模擬來填補。圖 3 顯示，ΦFar(Eν).POSCH(Eν) 被分解為離軸近探測器通量的線性組合，以測量近探測器處的振盪通量。這裡 ΦNear(Eν) 和 ΦFar(Eν) 分別是近探測器和遠探測器處的通量，PHOSC(Eν) 是振盪假設。求解每個離軸位置的權重 (C)。最後，將目標遠探測器通量與 PRISM 擬合到線性組合通量預測進行比較。當進一步偏離軸線時，PRISM 只會改變通量峰值以下的形狀。因此，擬合第一次振盪最大值的上升沿（約 3.5 GeV 處振盪通量的下降沿）非常具有挑戰性。解決方案是在較低的交變喇叭電流下進行特殊的束流運行。在較低的交變喇叭電流下運行會降低較高能量下的通量，但峰值以下的通量基本保持不變。此外，在 PRISM 擬合中包含這種模式提供了很好地擬合整個光譜所需的控制。
作為 PRISM 的補充技術，頻閃觀測法有兩個明顯的優點。首先，可以將遠探測器的振盪時間積分譜擬合到近探測器中的 PRISM 和頻閃觀測法，這表明如果有一個快速的近探測器，PRISM 近探測器程序可以進一步增強。通過添加時間切片的近探測器通量以及 PRISM 通量，也可以在沒有影響遠探測器通量的交變喇叭電流模式 (altHC) 的情況下運行。此外，這節省了寶貴的運行時間。圖 4 顯示了用於在近探測器處構建振盪通量的通量分量。左上角是 PRISM 離軸通量和 altHC 通量（在 280 kA 時），而右上角顯示了近探測器中使用正向喇叭電流 (FHC) 模式模擬數據的頻閃觀測通量。以紅色顯示的參考通量是 2.25 m 離軸位置處的通量。在底部兩幅圖中，我們可以看到與參考通量的比率。右下圖（針對頻閃觀測切片）中的形狀差異很有希望，因為它顯示了通量峰值以上的差異。
使用圖 4 中顯示的通量分量在三種不同情況下進行了 PRISM 擬合：1) 僅使用 PRISM 和 altHC 通量，2) 僅使用 PRISM 通量而不使用 altHC 通量分量，3) 用八個時間切片的頻閃觀測通量替換 PRISM 軸上貢獻，同時保持 PRISM 離軸分量不變，而不使用 altHC 通量分量。圖 5 的頂部圖表顯示了使用 PRISM 軸上和離軸通量以及 altHC 通量的默認 PRISM 擬合。此擬合顯示在頂部圖表的頂部面板中。紅線顯示了擬合區域。頂部圖表中的中間面板顯示了 PRISM 擬合與目標通量的比率。頂部圖表中的最底部面板列舉了紅線右側的名義軸上和離軸通量的係數以及紅線左側的 altHC 係數。在中間圖表中，頂部面板顯示了僅使用 PRISM 軸上和離軸通量而沒有 altHC 通量的 PRISM 擬合。在底部圖表中，我們僅將頻閃觀測軸上時間切片通量切片添加到 PRISM 離軸通量上，但沒有 altHC 通量。在中間擬合中，由於沒有 altHC 通量，擬合變差，但在底部圖表中添加頻閃觀測切片而沒有 altHC 通量使擬合再次變好。對於中間圖表和底部圖表，中間面板和底部面板的解釋相同。圖 5 展示了三個 PRISM 擬合。在頂部圖表中，默認 PRISM 擬合使用軸上和離軸通量以及 altHC 通量。紅線表示擬合區域。中間面板顯示了 PRISM 擬合與目標通量的比率，而底部面板顯示了擬合係數，其中名義軸上和離軸通量位於紅線的右側，而 altHC 通量係數位於左側。在中間圖表中，擬合僅使用 PRISM 軸上和離軸通量，不包括 altHC 通量。在沒有 altHC 通量的情況下，擬合質量會下降。
底部圖表顯示了使用頻閃觀測軸上時間切片通量和離軸通量但沒有 altHC 通量的擬合。添加頻閃觀測切片可以改善擬合，恢復其質量。中間圖表和底部圖表中的中間面板和底部面板的作用與頂部圖表相同。在沒有 altHC 的情況下執行 PRISM 擬合的可能性顯示出希望。頻閃觀測法還具有 PRISM 的互補性，它可以提供遠探測器振盪時間切片，這意味著如果有一個快速的遠探測器，它應該與默認 PRISM 程序一起運行。
在這項研究中，沒有使用完整的振盪時間積分遠探測器通量，而是執行了多個 PRISM 擬合，以擬合從頻閃觀測切片獲得的振盪 FD 時間箱，如圖 6 所示。該圖顯示了兩個時間箱。這表明如果我們有一個快速的遠探測器，我們可以擴展 PRISM 分析。預計 DUNE ND 的中性輕子靈敏度將與其他實驗相媲美，並且將通過應用頻閃觀測技術得到增強。通過提高 DUNE 遠探測器的計時精度，我們可以區分宇宙成因非彈性增強暗物質 (iBDM) 的非彈性相互作用（它會產生一個及時的質子徑跡，然後是一個具有位移頂點的電子/正電子對）與宇宙射線和大氣微中子背景，同時提高信號的探測效率。此外，快速計時可用於大型液氬探測器中，以探測違反重子數過程中 40Ar 的核退激，從而提高探測效率並減少質子衰變搜尋中的背景 [8]。
如果探測器的時間分辨率與目標處的質子束團相似，則可以通過在 MI 中創建短質子束團，使用 LBNF 近探測器和遠探測器按微中子到達時間劃分微中子通量。儘管在水切倫科夫探測器中可以實現 (O(100 ps)) 的時間分辨率，但目前構想的液氬 TPC 是慢速探測器。目前，MicroBooNE 探測器的固有分辨率為 2.2 ns [9]。預計 DUNE 液氬探測器中的光子探測器將獲得幾納秒的分辨率，但这可以通过小的升级来解决。要精确地获得相互作用时间，需要精确测量沿轨迹一点的瞬时光，前提是轨迹的其余部分构建正确。
液氬探測器的光學特性與水的特性相似。切倫科夫光與電子漂移相結合，為建立 T0 提供了一個很好的方法。根據電子 TPC 數據，基於液氬的探測器能夠在空間上精確地重建每個事件。可以使用重建的軌跡來模擬某些或所有帶電粒子發射的切倫科夫光子的探測時間和位置。在比較模擬光子和測量光子的 4D 坐標時，只需要擬合一個參數，即微中子事件時間 [10]。硅光電倍增管或大面積皮秒光電探測器 (LAPPD) 可以提供必要的時間和空間分辨率。
頻閃觀測法的應用也引起了短基線近探測器 (SBND) 的興趣，該探測器將位於距離增強型微中子束 (BNB) 微中子源 110 米處。SBND 探測器的橫向尺寸限制了離軸角度的範圍。與 DUNE 不同，它們不會移動探測器。圖 7 [11] 展示了這種方法如何根據時間切片和離軸角度優化 SBND 中微中子通量的選擇。左圖顯示了在對微中子到達時間進行較晚時間切割的情況下，SBND 通量在較低能量處達到峰值，而右圖顯示了由不同離軸角度選擇的通量譜。通過選擇不同的束流通量，頻閃觀測法可以增強 SBND 中對新物理的搜尋。
束團長度的重要性
質子束團的長度是微中子產生和探測的關鍵因素。雖然零寬度的質子束團是不現實的，但具有有限束團寬度意味著產生微中子的質子分佈在一定的時間範圍內。這種擴展導致微中子的產生時間變得模糊，而探測器的時間分辨率進一步降低了這種精度。
圖 9 顯示了費米實驗室主注入器中兩種情況下微中子到達時間與能量之間的關係：標稱束團長度和最小束團長度。在標稱模式下，RMS 束團長度為 Δt = 0.69 ns，時間相關性變得不那麼明顯，束團可能會重疊，從而使準確探測變得複雜。通過使用束團旋轉將 RMS 束團長度縮短至 Δt = 0.35 ns，計時變得更加精確，從而提高了頻閃觀測法的精度。
如圖 8 所示，相空間（表示為 Δt · ΔE）在整個過程中保持守恆，從而在時間和能量之間實現了有效的交換。重要的是，這種交換可以雙向進行，從而在控制束團特性方面提供了靈活性。
圖 8 中顯示的相空間是滑動堆疊過程 [12] 的結果，在該過程中，使用兩個以不同頻率運行的射頻系統將兩個動量略有不同的束流組合在回收器中。由於能量差很小，束團會隨著時間的推移在相空間中相互“滑動”。最終，束團合併形成更高強度的束流。在滑動堆疊中，對兩個不同動量群體的操作會創建一個複雜的非高斯相空間結構。
相空間被拉伸和旋轉，因為不同的動量分量佔據能量-時間或能量-位置空間中的不同區域。一旦兩個束團在回收器中合併並注入主注入器以進一步加速，相空間中產生的分佈就會呈現“甜甜圈形”圖案。
縱向動力學代碼 BLonD [13] 對主注入器中的質子束團時間結構進行建模。已經針對 LBNF 束流的正向喇叭電流 (FHC) 操作模擬了通量。模擬顯示了近探測器處的預期微中子通量，並在主注入器中對最小束團長度場景執行了束團旋轉。
基於質子束團到達的時間切片為每個時間切片生成不同的微中子能譜。每個時間切片對應一個 250 ps 的箱，從 t = 0 之前的 500 ps 開始。圖 10 說明了這種方法，該圖顯示了相對於微中子束團開始的不同時間選擇切割的模擬束流能譜。目前，主注入器處的運行質子束通常具有約 1 ns 的 RMS 束團長度。縮短束團長度的一種方法是在加速後但在提取之前將更高頻率的射頻結構（例如，53.1 MHz 的 10 次諧波）疊加到質子束團上。如 [14] 中所述，這可能會將 RMS 束團長度降低至約 100 ps。實現這一點將涉及添加一個高頻腔，例如 500 MHz 康奈爾 B 單元腔 [15]，儘管這需要大量投資。或者，我們建議在主注入器和增能器中都使用束團旋轉來實現相當的亞納秒束團長度，從而提供更具成本效益的解決方案。
圖 11 顯示了通過束團旋轉在標稱模式和窄束模式下增能器束流的模擬縱向相空間。在標稱模式（藍色）下，束流形狀經過優化，以便有效地注入回收器以進行滑動堆疊。為此，通過操縱其縱向相空間分佈來減小束流的動量擴展。
在窄束模式（紅色）下，相空間分佈旋轉，並且當其縱向寬度最小化時提取束流。束團旋轉過程導致非高斯能量和時間曲線。在窄束模式下，RMS 束團長度從 0.67 ns 減小到 0.41 ns，同時延長了能量分佈。此過程在時間上創建了更緊湊的束流，從而提高了下游過程（如微中子探測）的計時精度。這些基於 BLonD 模擬的結果表明，束團旋轉提供了一種經濟高效的方法來在增能器中實現亞納秒束團長度，為在費米實驗室的短基線微中子實驗中應用頻閃觀測法鋪平了道路。
雖然主注入器和增能器中當前的束團長度比頻閃觀測法的理想長度長，但為縮短束團長度而正在進行的努力對於提高費米實驗室長基線和短基線微中子實驗的精度至關重要。這些進步將提高未來微中子探測和測量技術的準確性和有效性。
束團旋轉方法：射頻操縱技術
在這項研究中，我們應用了一種稱為“束團旋轉”的束團操縱技術，以在增能器中創建窄束團擴展。加速器微中子中子相互作用實驗 (ANNIE) 是費米實驗室的一個水切倫科夫探測器，它已經配備了一個快速光電探測器系統，能夠為該技術提供必要的時間分辨率。ANNIE 位於增強型微中子束 (BNB) 的下游，它推動了在增能器中使用束團旋轉作為頻閃觀測法第一個原理驗證演示的一部分。由於 BNB 中微中子的能量較低，因此頻閃觀測效應更加明顯，並且可以在 1 ns 量級的束團長度下觀察到，如圖 7 所示，儘管更短的束團長度更可取。
目前，增能器束流在被發送到 BNB 線和回收器環之前會進行束團旋轉，但此過程通常用於延長束團擴展。相反，我們在增能器中執行了束團旋轉以實現更短的束團擴展。此外，使用窄質子束團可以使能夠掃描離軸微中子束流的快速近探測器受益，從而提高其對輕暗物質搜尋的靈敏度 [16]。MiniBooNE 最近在多項分析中利用了計時來從 NuMI 束流中選擇停止的 K 介子並搜尋重暗物質粒子 [17]。
在最近的一次束流研究中，我們的目標是通過調整關鍵參數（如提取時間、束流強度和射頻）來在費米實驗室增能器中實現最窄的質子束團長度。這些努力集中在優化束團旋轉過程，這對於在微中子實驗中實施頻閃觀測法至關重要。
費米實驗室增能器是一個周長為 474.2 米的快速循環同步加速器環，配備了 22 個射頻腔和 96 個組合功能磁鐵。每個腔體可以提供高達 50 kV 的射頻電壓，隨著束流能量從 0.4 GeV 增加到 8.0 GeV，射頻從 38 MHz 調製到 53 MHz。這種調製對於管理束流加速時的縱向動力學至關重要，確保束流可以適當地整形以用於下游實驗。
圖 12 顯示了增能器射頻腔以及增能器環中增能器射頻腔和電阻壁電流監視器 (RWM) 的佈局。為了旋轉增能器束團，在增能器射頻腔中施加頻率為同步加速器頻率兩倍的射頻電場，該電場疊加在標稱靜止射頻桶上。這種稱為二次增能器旋轉 (QBR) 的技術會引起縱向相位旋轉，從而影響增能器束流在兩倍同步加速器頻率下的束團長度和動量擴展 [19]（參見圖 13。該圖說明了此過程，其中縱向束團長度（以 ns 為單位）位於 x 軸上，動量擴展（以 MeV/c 為單位）位於 y 軸上。藍色實線概述了射頻桶邊界，表示同步加速器振盪的穩定區域。黑色實線顯示了在桶內經歷小角度同步加速器振盪的束流粒子的軌跡，而紅色虛線表示在 QBR 期間施加的射頻波形。因此，增能器環中的最終束團長度由增能器束流提取的時機決定。
在標稱束流運行下，QBR 技術用於延長束團長度，以便在回收器環中進行滑動堆疊，以進行 120 GeV 微中子振盪實驗。然而，這項研究證明了通過旋轉束流的相空間，可以使用 QBR 實現更短的束團長度。
如模擬的相空間圖（圖 11）所示，通過調整束流提取時機並將同步加速器相位從標稱操作提前 π/2 或 3π/2，我們有效地旋轉了增能器束流的相空間。這種相空間旋轉壓縮了縱向束團長度，同時增加了動量擴展。在標稱操作中，束團被拉長以進行滑動堆疊，從而導致相空間中更寬的分佈。然而，當應用束團旋轉時，相空間被操縱以實現更短的束團長度，如模擬結果的窄分佈所示。然後，縮短的束團從環中提取出來，並通過 8 GeV 束流線和 BNB 束流線傳遞到 BNB 目標。
束團旋轉方法：數據採集過程
質子束流通過增強型微中子束 (BNB) 線被引導至探測器 SBND 和 ANNIE。這項工作完全在增能器內進行，而不是在主注入器內進行。該過程從標稱增能器束流開始，在不同的束流強度下，在不同的提取時間測量束團長度。為了最大程度地減少會消除高動量粒子的束流損失，兩個 MI-8 準直器（836 和 838）最初都位於束流線之外。隨著研究的進行，準直器逐漸移入束流線，以研究它們對束團長度的影響。掃描是在兩個主要強度下進行的：每次脈衝 (ppp) 5E12（高）和 3E12（中）個質子，如表 I 所示。
在高強度下：測得的標稱束團長度為 Δt = 2.1 ns，提取為

統計資料

質子束團的 RMS 長度縮短至 Δt = 0.35 ns。
標稱模式下，RMS 束團長度為 Δt = 0.69 ns。
窄束模式下，RMS 束團長度從 0.67 ns 減小到 0.41 ns。
MicroBooNE 探測器的固有分辨率為 2.2 ns。
SBND 探測器將位於距離增強型微中子束 (BNB) 微中子源 110 米處。

從以下內容提煉的關鍵洞見

Time Slicing of Neutrino Fluxes in Oscillation Experiments at Fermilab

by Sudeshna Gan... 於 arxiv.org 10-25-2024

https://arxiv.org/pdf/2410.18256.pdf

深入探究

如何利用機器學習等技術進一步提高微中子能量譜測量的精度？

機器學習技術可以從以下幾個方面提高微中子能量譜測量的精度：

改善微中子事件重建:

微中子與物質相互作用會產生各種粒子，通過分析這些粒子的運動軌跡、能量沉積等信息可以重建微中子事件並推斷其能量。
機器學習可以通過學習模擬數據或真實數據中的特徵，開發出比傳統算法更精確、更高效的事件重建算法，從而提高能量重建的精度。
例如，卷積神經網絡（CNN）可以用於識別粒子軌跡和簇射，循環神經網絡（RNN）可以用於分析時間序列數據，例如光電倍增管（PMT）的信號。

提高能量估計的精度:

機器學習可以通過學習微中子能量與重建參數之間的複雜關係，建立更精確的能量估計模型。
例如，支持向量機（SVM）、梯度提升決策樹（GBDT）等算法可以用於建立能量回歸模型，提高能量估計的精度。

減少系統誤差:

微中子能量譜測量中存在各種系統誤差，例如探測器響應的不確定性、背景估計的誤差等。
機器學習可以通過學習這些系統誤差的規律，開發出更精確的校正方法，從而減少系統誤差對能量譜測量的影響。
例如，機器學習可以用於建立探測器響應的精確模型，用於校正探測器效應引起的能量偏差。

優化時間切片技術:

機器學習可以通過分析時間切片數據中的特徵，優化時間切片的選擇和組合方式，從而提高時間切片技術的精度和效率。
例如，機器學習可以用於識別不同能量微中子在時間切片數據中的特徵，從而更精確地分離不同能量的微中子。

總之，機器學習技術可以通過改善事件重建、提高能量估計精度、減少系統誤差和優化時間切片技術等方面，進一步提高微中子能量譜測量的精度，為微中子物理研究提供更精確的數據。

縮短質子束團長度是否會對其他實驗或設備產生負面影響？

縮短質子束團長度雖然有利於時間切片技術的應用，但也可能對其他實驗或設備產生負面影響，主要體現在以下幾個方面：

增加束流損失:

縮短束團長度意味著在相同束流強度下，束團內的粒子密度會增加。
高粒子密度會加劇束流自身的空間電荷效應，導致束流發散，增加束流在傳輸過程中的損失。
束流損失會降低實驗效率，同時也可能對加速器設備造成損壞。

影響其他實驗的運行:

許多加速器設施會同時為多個實驗提供束流，縮短一個實驗所需的束團長度可能會影響其他實驗的運行。
例如，某些實驗可能需要較長的束團長度來滿足其特定的實驗需求，縮短束團長度可能會降低這些實驗的數據質量或效率。

增加技術難度和成本:

縮短束團長度需要對加速器設備進行改進和升級，例如使用更高頻率的射頻腔、改進束流光學設計等。
這些改進和升級會增加技術難度和成本，需要權衡利弊，綜合考慮。

因此，在縮短質子束團長度之前，需要進行全面的評估，考慮其對其他實驗和設備的潛在影響，並採取相應的措施來減輕負面影響。例如，可以通過優化束流光學設計、改進束流控制系統等方式來減少束流損失，並與其他實驗協調束流時間分配，以盡量減少對其他實驗的影響。

如果微中子不遵守三微中子味範式，那麼時間切片技術將如何應用於研究其性質？

如果微中子不遵守三微中子味範式，意味著可能存在超出標準模型的新物理，例如惰性微中子或其他未知的微中子混合機制。時間切片技術仍然可以應用於研究這些新物理，並提供獨特的視角：

尋找新的微中子振盪模式:

時間切片技術可以幫助我們更精確地測量微中子束流的能量譜和時間結構，從而更靈敏地尋找新的微中子振盪模式。
例如，如果存在惰性微中子，我們可能會在時間切片數據中觀察到與標準三微中子振盪不同的振盪模式，其特徵取決於惰性微中子的質量和混合參數。

測量新的微中子混合參數:

如果新的微中子振盪模式被發現，時間切片技術可以幫助我們更精確地測量新的微中子混合參數，例如混合角和質量平方差。
這些測量結果將為我們理解新的微中子混合機制提供重要的實驗依據。

研究微中子與物質的相互作用:

時間切片技術可以幫助我們更精確地選擇特定能量的微中子束流，從而更精確地研究微中子與物質的相互作用。
例如，我們可以利用時間切片技術研究不同能量的微中子與原子核的相干散射，以尋找與新物理相關的異常現象。

總之，即使微中子不遵守三微中子味範式，時間切片技術仍然是一種強大的工具，可以幫助我們探索微中子物理中的新現象，並為我們理解宇宙的基本組成和相互作用提供新的線索。