New Physics: Sae Mulli,
Vol. 67, No. 7, July 2017, pp. 838∼841 http://dx.doi.org/10.3938/NPSM.67.838
Study of Event Vertex Reconstruction due to Changes in the Properties of the Liquid Scintillator Used at the RENO
Chang Dong Shin · Kyung Kwang Joo
∗Institute for Universe & Elementary Particles, Department of Physics, Chonnam National University, Gwangju 61186, Korea
(Received 7 March 2017 : revised 27 March 2017 : accepted 27 March 2017)
The RENO (Reactor Experiment for Neutrino Oscillation) uses a liquid scintillator for neutrino detection. The vertex reconstruction is important for separating the signal from the background in the neutrino experiment. Especially, vertex reconstruction is more difficult for a cylindrical detector than for a spherical detector. Vertex reconstruction requires a correction for the vertex position because the properties of the liquid scintillator can change over time. In this paper, we study the vertex reconstruction method and the differences in the reconstructed vertex caused by changes in the properties of the liquid scintillator.
PACS numbers: 13.15.+g, 14.60.Pq
Keywords: RENO, Neutrino, Liquid scintillator, Vertex reconstruction, Neutrino oscillation parameter (θ13)
RENO 실험에서 액체섬광검출용액의 특성 변화에 의한 이벤트 위치 구성 연구
신창동 · 주경광
∗전남대학교 물리학과, 우주소립자 연구소, 광주 61186, 대한민국 (2017년 3월 7일 받음, 2017년 3월 27일 수정본 받음, 2017년 3월 27일 게재 확정)
Reactor Experiment for Neutrino Oscillation (RENO) 실험은 한빛 원자력 발전소에서 생성된 중성 미자의 진동변환을 확인하기 위한 실험이다. 액체섬광검출용액을 이용한 중성미자 검출실험에서 우리가 관측하려는 신호를 구분하기 위해서 이벤트의 위치를 구성하는 것이 중요하게 사용된다. 특히 구형이 아닌 원통형의 검출기에서의 이벤트의 위치 구성은 간단하지 않다. 또한 액체섬광검출용액은 시간에 대해서 성질이 변할 수 있기 때문에, 그에 따른 위치 구성 방법의 보정이 필요하다. 이 논문에서는 몬테카를로를 이용하여 이벤트의 기본적인 위치 구성 방법과 액체섬광검출용액의 특성 변화에 따른 위치 구성 결과의 차이를 기술하였다.
PACS numbers: 13.15.+g, 14.60.Pq
Keywords: RENO, 중성미자, 액체섬광검출용액, 위치 구성, 진동변환상수 (θ13)
∗E-mail: [email protected]
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Study of Event Vertex Reconstruction due to Changes in · · · – Chang Dong Shin · Kyung Kwang Joo 839
I. 서 론
전자 반중성미자 (electron antineutrino) 는 액체섬광검 출용액에서 역베타붕괴 반응 이후 양전자와 중성자를 생 성하고, 최종적으로 발생한 광자들이 검출기내의 광증폭관 (photo multiplier tube, PMT) 에 도달하여 신호를 만든다 [1,2]. 이러한 정보들 속에서 우리가 원하는 중성미자를 구 별하기 위해서 이벤트의 정확한 위치를 아는 것은 중요하다 [3]. 하지만 특정 광증폭관에 도달한 광전자의 전하정보를 이용하여서 이벤트의 생성위치를 확인하는 것은 쉽지 않 다. 또한 이벤트의 위치 구성 방법은 액체섬광검출용액의 특성에 따라 보정이 필요하게 된다. 이러한 특성을 확인하 기 위해 몬테카를로를 통하여 이벤트의 위치 구성 방법 및 액체섬광검출용액의 성질 변화에 따른 이벤트 위치 구성 결과의 차이를 확인해 보았다.
II. 이벤트 위치 구성
1. 위치 구성 방법
기본적으로 이벤트의 위치는 검출기에 위치한 광증폭 관에 들어온 광전자의 수를 이용하여 추측한다. 검출기가 만약 구형이고 광증폭관이 구면에 균일하게 설치되었다면 이벤트의 위치는 간단하게 무게중심을 이용한 방법을 이용 하여 식 (1) 과 같이 이벤트의 위치 (⃗r), 한 이벤트의 히트 (hit) 수 (Nhit), 히트 당 전하크기, 광증폭관의 위치 (⃗ri) 로 표현할 수 있다 [4].
⃗ r =
∑Nhit
i (Qir⃗i)
∑Nhit
i Qi (1)
하지만 구형이 아닌 원통형의 검출기에서는 식 (1)을 그대로 사용할 시 실제 이벤트의 위치와 잘 맞지 않는 현상이 발생 한다. 특히 Reactor Experiment for Neutrino Oscillation (RENO) 실험의 검출기는 Fig. 1과 같이 원통형의 구조로, 중심으로부터 광증폭관까지 3개의 층으로 이루어져있다.
이런 경우 각층에 채워진 용액의 감쇠거리 및 경계층의 물 질에 따라 이벤트의 위치 구성에 큰 영향을 받을 수 있다 [1, 5,6]. Fig. 2는 식 (1) 을 이용하여 몬테카를로에서 역베타 붕괴에 의한 이벤트 위치를 그린 것이다. 가로축은 원통의 반지름 방향이고, 세로축은 원통의 수직방향을 의미하는데 실제 이벤트들은 그림의 검은 점선까지 존재한다. 하지만 식 (1) 을 사용 시 이벤트의 위치가 실제위치보다 좁은 범위 까지만 분포됨을 보여주는데, 이는 검출기의 원통구조 및 액체섬광검출용액의 특성에 의한 현상이다.
Fig. 1. A schematic view of RENO detector.
Fig. 2. (Color online) Reconstructed vertex using simple weighting method. x-axis is radius square and y-axis is height from detector center.
하지만 액체섬광검출용액의 특성을 알고 있다면 몬테카 를로를 이용하여 실제 위치와의 차이를 보정해줄 수 있다.
Fig. 3은 이러한 보정을 위해 원통의 ρ 와 z 방향에 대해서 보정상수를 구한 것이다. 식 (1) 을 통하여 구해진 위치 값에 해당 보정상수를 곱하여 실제 위치에 가까워지도록 보정할 수 있다. 해당 보정상수를 적용하면 Fig. 4와 같이 이벤트의 위치가 검은 점선 위치까지 분포하는 것을 확인할 수 있다.
2. 액체섬광검출용액에 의한 위치 변화
이벤트 위치 구성은 앞에서 언급한 바와 같이 액체섬광 검출용액의 특성에 영향을 받는다. 이것은 실제 이벤트의 위치에 따라 각각의 광증폭관에 광자가 도달하기 까지 3 개 층의 용액을 통과하는 거리가 달라지기 때문이다. 특히
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Fig. 3. The map of correction factor for vertex recon- struction of ρ (top) and z (bottom) direction.
이 용액들의 감쇠거리가 크게 차이가 난다면 광증폭관까지 도달할 수 있는 확률이 크게 달라질 수 있다. 현재 이벤트의 위치를 구하는 방법은 기본적인 수식 (1) 과 같은 가중치방 법 (weighting method) 을 기반으로 하고 있기 때문에 이러 한 차이는 실제 위치와 다르게 되는 요인이 된다. 게다가 액체섬광검출용액의 경우 시간에 대해서 실험환경에 따라 그 성질이 변할 수 있다 [7,8].
Fig. 5는 액체섬광검출용액의 감쇠거리에 따른 이벤트의 위치 구성 결과를 특정위치에서 방사선소스 (60Co) 몬테카 를로를 이용하여 확인한 것이다. 위쪽의 그림은 초기상태의 결과로 실제 위치인 붉은 점선과 잘 일치하고, 아래쪽의 감쇠거리를 초기상태에서 50% 수준으로 줄인 결과 실제 위치보다 더 큰 값으로 위치가 변한 것처럼 보임을 확인할 수 있다. 이러한 결과는 검출기내의 액체섬광검출용액이 시간에 따라 성질이 변할 때 이벤트 위치 구성을 위한 보정 상수를 변경해 주어야 함을 의미한다.
III. 요 약
몬테카를로를 이용하여 RENO 검출기에서 생성된 이 벤트의 위치를 각각 광증폭관의 광전자 정보를 이용하여
Fig. 4. (Color online) Reconstructed vertex after correc- tion. x-axis is radius square and y-axis is height from detector center.
Fig. 5. (Color online) Reconstructed vertex of initial state (top) and particular state (bottom) of liquid scin- tillator with reducing attenuation length at the level of 50%.
재구성하였다. 또한 검출기 내부의 액체섬광검출용액의 특성 변화에 따른 이벤트 위치가 영향을 받고 이에 따라 시간에 따른 보정이 필요함을 확인하였다.
감사의 글
이 논문은 2016년도 정부 (미래창조과학부) 의 재원으로 한국연구재단의 기초연구사업 (NRF-2016RIA2B4008925,
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2016004684) 과 Samsung Science & Technology Foun- dation (SSTF-BA1402-06) 의 지원을 받아 수행된 연구입 니다.
REFERENCES
[1] J. K. Ahn, S. Chebotaryov, J. H Choi, S. Choi and W. Choi et al. (RENO Collaboration), Phys. Rev.
Lett. 108, 191802 (2012).
[2] J. K. Ahn, S. Chebotaryov, J. H Choi, S. Choi and W. Choi et al. (RENO Collaboration), arXiv:hep- ex/1003.1391 (2010).
[3] C. D. Shin and K. K. Joo, New Phys.: Sae Mulli 63, 1011 (2013).
[4] H. S. Kim, New Phys.: Sae Mulli 62, 631 (2012).
[5] I. S. Yeo, K. K. Joo, New Phys.: Sae Mulli 60, 897 (2010).
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[7] M. Katsumata, H. Miyata, N. Tamura, T. Kawasaki, Nucl. Instrum. Meth. Phys. Res. Sec. A 629, 50 (2011).
[8] S. C. Kim, K. K. Joo, B. R. Kim, C. D. Shin and S.
H. So et al., J. Korean Phys. Soc. 65, 995 (2014).
