Reconstruction of atmospheric neutrinos in DUNE's horizontal-drift far-detector module
本論文は、レプトンデータのみならず全ハドロン系情報を組み込むことが、DUNEの水平ドリフト式液体アルゴン時空間投影型(LArTPC)における大気ニュートリノの方向およびエネルギーの再構成分解能を大幅に向上させることを示し、将来の振動解析感度分析のための基礎を確立するものである。
原著者: DUNE Collaboration, S. Abbaslu, F. Abd Alrahman, A. Abed Abud, R. Acciarri, L. P. Accorsi, M. A. Acero, M. R. Adames, G. Adamov, M. Adamowski, C. Adriano, F. Akbar, F. Alemanno, N. S. Alex, K. Allison, M. Alrashed, A. Alton, R. Alvarez, T. Alves, A. Aman, H. Amar, P. Amedo, J. Anderson, D. A. Andrade, C. Andreopoulos, M. Andreotti, M. P. Andrews, F. Andrianala, S. Andringa, F. Anjarazafy, S. Ansarifard, D. Antic, M. Antoniassi, A. Aranda-Fernandez, T. Araya-Santander, L. Arellano, E. Arrieta Diaz, M. A. Arroyave, M. Arteropons, J. Asaadi, M. Ascencio, A. Ashkenazi, D. Asner, L. Asquith, E. Atkin, D. Auguste, A. Aurisano, V. Aushev, D. Autiero, D. Ávila Gómez, M. B. Azam, F. Azfar, A. Back, J. J. Back, Y. Bae, I. Bagaturia, L. Bagby, D. Baigarashev, S. Balasubramanian, A. Balboni, P. Baldi, W. Baldini, J. Baldonedo, B. Baller, B. Bambah, F. Barao, D. Barbu, G. Barenboim, P. Barham Alzás, G. J. Barker, W. Barkhouse, G. Barr, A. Barros, N. Barros, D. Barrow, J. L. Barrow, A. Basharina-Freshville, A. Bashyal, V. Basque, M. Bassani, D. Basu, C. Batchelor, L. Bathe-Peters, J. B. R. Battat, F. Battisti, J. Bautista, F. Bay, J. L. L. Bazo Alba, J. F. Beacom, E. Bechetoille, B. Behera, E. Belchior, B. Bell, G. Bell, L. Bellantoni, G. Bellettini, V. Bellini, O. Beltramello, A. Belyaev, C. Benitez Montiel, D. Benjamin, F. Bento Neves, J. Berger, S. Berkman, J. Bermudez, J. Bernal, P. Bernardini, A. Bersani, E. Bertholet, E. Bertolini, S. Bertolucci, M. Betancourt, A. Betancur Rodríguez, Y. Bezawada, A. T. Bezerra, A. Bhat, V. Bhatnagar, M. Bhattacharjee, S. Bhattacharjee, M. Bhattacharya, S. Bhuller, B. Bhuyan, S. Biagi, J. Bian, K. Biery, B. Bilki, M. Bishai, P. Bishop, A. Blake, F. D. Blaszczyk, G. C. Blazey, E. Blucher, A. Bodek, B. Bogart, J. Boissevain, S. Bolognesi, T. Bolton, L. Bomben, M. Bonesini, C. Bonilla-Diaz, A. Booth, F. Boran, C. Borden, R. Borges Merlo, N. Bostan, G. Botogoske, B. Bottino, R. Bouet, J. Boza, J. Bracinik, B. Brahma, D. Brailsford, F. Bramati, A. Branca, A. Brandt, J. Bremer, S. J. Brice, V. Brio, C. Brizzolari, C. Bromberg, J. Brooke, A. Bross, G. Brunetti, M. B. Brunetti, N. Buchanan, H. Budd, J. Buergi, A. Bundock, D. Burgardt, S. Butchart, G. Caceres V., R. Calabrese, R. Calabrese, J. Calcutt, L. Calivers, E. Calvo, A. Caminata, A. F. Camino, W. Campanelli, A. Campani, A. Campos Benitez, N. Canci, J. Capó, I. Caracas, D. Caratelli, D. Carber, J. M. Carceller, G. Carini, B. Carlus, M. F. Carneiro, P. Carniti, I. Caro Terrazas, H. Carranza, N. Carrara, L. Carroll, T. Carroll, A. Carter, E. Casarejos, D. Casazza, J. F. Castaño Forero, F. A. Castaño, C. Castromonte, E. Catano-Mur, C. Cattadori, F. Cavalier, F. Cavanna, E. F. Ceceña-Avendaño, S. Centro, G. Cerati, C. Cerna, A. Cervelli, A. Cervera Villanueva, J. Chakrani, M. Chalifour, A. Chappell, A. Chatterjee, B. Chauhan, C. Chavez Barajas, H. Chen, M. Chen, W. C. Chen, Y. Chen, Z. Chen, D. Cherdack, S. S. Chhibra, C. Chi, F. Chiapponi, R. Chirco, N. Chitirasreemadam, K. Cho, S. Choate, G. Choi, D. Chokheli, P. S. Chong, B. Chowdhury, D. Christian, M. Chung, E. Church, M. F. Cicala, M. Cicerchia, V. Cicero, R. Ciolini, P. Clarke, G. Cline, A. G. Cocco, J. A. B. Coelho, A. Cohen, J. Collazo, J. Collot, H. Combs, J. M. Conrad, L. Conti, T. Contreras, M. Convery, K. Conway, S. Copello, P. Cova, C. Cox, L. Cremonesi, J. I. Crespo-Anadón, M. Crisler, E. Cristaldo, J. Crnkovic, G. Crone, R. Cross, A. Cudd, C. Cuesta, Y. Cui, F. Curciarello, D. Cussans, J. Dai, O. Dalager, W. Dallaway, R. D'Amico, H. da Motta, Z. A. Dar, R. Darby, L. Da Silva Peres, Q. David, G. S. Davies, S. Davini, J. Dawson, R. De Aguiar, P. Debbins, M. P. Decowski, A. de Gouvêa, P. C. De Holanda, P. De Jong, P. Del Amo Sanchez, G. De Lauretis, A. Delbart, M. Delgado, A. Dell'Acqua, G. Delle Monache, N. Delmonte, P. De Lurgio, G. De Matteis, J. R. T. de Mello Neto, A. P. A. De Mendonca, D. M. DeMuth, S. Dennis, C. Densham, P. Denton, G. W. Deptuch, A. De Roeck, V. De Romeri, J. P. Detje, J. Devine, K. Dhanmeher, R. Dharmapalan, M. Dias, A. Diaz, J. S. Díaz, F. Díaz, F. Di Capua, A. Di Domenico, S. Di Domizio, S. Di Falco, L. Di Giulio, P. Ding, L. Di Noto, E. Diociaiuti, G. Di Sciascio, V. Di Silvestre, C. Distefano, R. Di Stefano, R. Diurba, M. Diwan, Z. Djurcic, S. Dolan, M. Dolce, M. J. Dolinski, D. Domenici, S. Dominguez, S. Donati, S. Doran, D. Douglas, T. A. Doyle, F. Drielsma, D. Duchesneau, K. Duffy, K. Dugas, P. Dunne, B. Dutta, D. A. Dwyer, A. S. Dyshkant, S. Dytman, M. Eads, A. Earle, S. Edayath, D. Edmunds, J. Eisch, W. Emark, P. Englezos, A. Ereditato, T. Erjavec, C. O. Escobar, J. J. Evans, E. Ewart, A. C. Ezeribe, K. Fahey, A. Falcone, M. Fani', D. Faragher, C. Farnese, Y. Farzan, J. Felix, Y. Feng, M. Ferreira da Silva, G. Ferry, E. Fialova, L. Fields, P. Filip, A. Filkins, F. Filthaut, G. Fiorillo, M. Fiorini, S. Fogarty, W. Foreman, J. Fowler, J. Franc, K. Francis, D. Franco, J. Franklin, J. Freeman, J. Fried, A. Friedland, M. Fucci, S. Fuess, I. K. Furic, K. Furman, A. P. Furmanski, R. Gaba, A. Gabrielli, A. M Gago, F. Galizzi, H. Gallagher, M. Galli, N. Gallice, V. Galymov, E. Gamberini, T. Gamble, R. Gandhi, S. Ganguly, F. Gao, S. Gao, D. Garcia-Gamez, M. Á. García-Peris, F. Gardim, S. Gardiner, A. Gartman, A. Gauch, P. Gauzzi, S. Gazzana, G. Ge, N. Geffroy, B. Gelli, S. Gent, L. Gerlach, A. Ghosh, T. Giammaria, D. Gibin, I. Gil-Botella, A. Gioiosa, S. Giovannella, A. K. Giri, V. Giusti, D. Gnani, O. Gogota, S. Gollapinni, K. Gollwitzer, R. A. Gomes, L. S. Gomez Fajardo, D. Gonzalez-Diaz, J. Gonzalez-Santome, M. C. Goodman, S. Goswami, C. Gotti, J. Goudeau, C. Grace, E. Gramellini, R. Gran, P. Granger, C. Grant, D. R. Gratieri, G. Grauso, P. Green, S. Greenberg, W. C. Griffith, A. Gruber, K. Grzelak, L. Gu, W. Gu, V. Guarino, M. Guarise, R. Guenette, M. Guerzoni, D. Guffanti, A. Guglielmi, F. Y. Guo, A. Gupta, V. Gupta, G. Gurung, D. Gutierrez, P. Guzowski, M. M. Guzzo, S. Gwon, A. Habig, L. Haegel, R. Hafeji, L. Hagaman, A. Hahn, J. Hakenmüller, T. Hamernik, P. Hamilton, J. Hancock, M. Handley, F. Happacher, B. Harris, D. A. Harris, L. Harris, A. L. Hart, J. Hartnell, T. Hartnett, J. Harton, T. Hasegawa, C. M. Hasnip, K. Hassinin, R. Hatcher, S. Hawkins, J. Hays, M. He, A. Heavey, K. M. Heeger, A. Heindel, J. Heise, P. Hellmuth, L. Henderson, J. Hernández, M. A. Hernandez Morquecho, K. Herner, V. Hewes, A. Higuera, A. Himmel, E. Hinkle, L. R. Hirsch, J. Ho, J. Hoefken Zink, J. Hoff, A. Holin, T. Holvey, C. Hong, S. Horiuchi, G. A. Horton-Smith, R. Hosokawa, T. Houdy, B. Howard, R. Howell, I. Hristova, M. S. Hronek, H. Hua, J. Huang, R. G. Huang, X. Huang, Z. Hulcher, A. Hussain, G. Iles, N. Ilic, A. M. Iliescu, R. Illingworth, G. Ingratta, A. Ioannisian, M. Ismerio Oliveira, C. M. Jackson, A. Jacobi, V. Jain, E. James, W. Jang, B. Jargowsky, D. Jena, I. Jentz, C. Jiang, J. Jiang, A. Jipa, J. H. Jo, F. R. Joaquim, W. Johnson, C. Jollet, R. Jones, M. Joshi, N. Jovancevic, M. Judah, C. K. Jung, K. Y. Jung, T. Junk, Y. Jwa, M. Kabirnezhad, A. C. Kaboth, I. Kadenko, O. Kalikulov, D. Kalra, M. Kandemir, S. Kar, G. Karagiorgi, G. Karaman, A. Karcher, Y. Karyotakis, S. P. Kasetti, L. Kashur, A. Kauther, N. Kazaryan, L. Ke, E. Kearns, P. T. Keener, K. J. Kelly, R. Keloth, E. Kemp, O. Kemularia, Y. Kermaidic, W. Ketchum, S. H. Kettell, N. Khan, A. Khvedelidze, D. Kim, J. Kim, M. J. Kim, S. Kim, B. King, M. King, M. Kirby, A. Kish, J. Klein, J. Kleykamp, A. Klustova, T. Kobilarcik, L. Koch, K. Koehler, L. W. Koerner, D. H. Koh, M. Kordosky, T. Kosc, V. A. Kostelecký, I. Kotler, W. Krah, R. Kralik, M. Kramer, F. Krennrich, T. Kroupova, S. Kubota, M. Kubu, V. A. Kudryavtsev, G. Kufatty, S. Kuhlmann, A. Kumar, J. Kumar, M. Kumar, P. Kumar, P. Kumar, S. Kumaran, J. Kunzmann, V. Kus, T. Kutter, J. Kvasnicka, T. Labree, M. Lachat, T. Lackey, I. Lalău, A. Lambert, B. J. Land, C. E. Lane, N. Lane, K. Lang, T. Langford, M. Langstaff, F. Lanni, J. Larkin, P. Lasorak, D. Last, A. Laundrie, G. Laurenti, E. Lavaut, H. Lay, I. Lazanu, R. LaZur, M. Lazzaroni, S. Leardini, J. Learned, T. LeCompte, G. Lehmann Miotto, R. Lehnert, M. Leitner, H. Lemoine, D. Leon Silverio, L. M. Lepin, J. -Y Li, S. W. Li, Y. Li, R. Lima, C. S. Lin, D. Lindebaum, S. Linden, R. A. Lineros, A. Lister, B. R. Littlejohn, J. Liu, Y. Liu, S. Lockwitz, I. Lomidze, K. Long, J. Lopez, I. López de Rego, N. López-March, J. M. LoSecco, A. Lozano Sanchez, X. -G. Lu, K. B. Luk, X. Luo, E. Luppi, A. A. Machado, P. Machado, C. T. Macias, J. R. Macier, M. MacMahon, S. Magill, C. Magueur, K. Mahn, A. Maio, N. Majeed, A. Major, K. Majumdar, A. Malige, S. Mameli, M. Man, R. C. Mandujano, J. Maneira, S. Manly, K. Manolopoulos, M. Manrique Plata, S. Manthey Corchado, L. Manzanillas-Velez, E. Mao, M. Marchan, A. Marchionni, D. Marfatia, C. Mariani, J. Maricic, F. Marinho, A. D. Marino, T. Markiewicz, F. Das Chagas Marques, M. Marshak, C. M. Marshall, J. Marshall, L. Martina, J. Martín-Albo, D. A. Martinez Caicedo, M. Martinez-Casales, F. Martínez López, S. Martynenko, V. Mascagna, A. Mastbaum, M. Masud, F. Matichard, G. Matteucci, J. Matthews, C. Mauger, N. Mauri, K. Mavrokoridis, I. Mawby, F. Mayhew, T. McAskill, N. McConkey, B. McConnell, K. S. McFarland, C. McGivern, C. McGrew, A. McNab, C. McNulty, J. Mead, L. Meazza, V. C. N. Meddage, A. Medhi, M. Mehmood, B. Mehta, P. Mehta, F. Mei, P. Melas, L. Mellet, T. C. D. Melo, O. Mena, H. Mendez, D. P. Méndez, A. Menegolli, G. Meng, A. C. E. A. Mercuri, A. Meregaglia, M. D. Messier, S. Metallo, W. Metcalf, M. Mewes, H. Meyer, T. Miao, J. Micallef, A. Miccoli, G. Michna, R. Milincic, F. Miller, G. Miller, W. Miller, A. Minotti, L. Miralles Verge, C. Mironov, S. Miscetti, C. S. Mishra, P. Mishra, S. R. Mishra, D. Mladenov, I. Mocioiu, A. Mogan, R. Mohanta, T. A. Mohayai, N. Mokhov, J. Molina, L. Molina Bueno, E. Montagna, A. Montanari, C. Montanari, D. Montanari, D. Montanino, L. M. Montaño Zetina, M. Mooney, A. F. Moor, M. Moore, Z. Moore, D. Moreno, G. Moreno-Granados, O. Moreno-Palacios, L. Morescalchi, C. Morris, E. Motuk, C. A. Moura, G. Mouster, W. Mu, L. Mualem, J. Mueller, M. Muether, F. Muheim, A. Muir, Y. Mukhamejanov, A. Mukhamejanova, M. Mulhearn, D. Munford, L. J. Munteanu, H. Muramatsu, J. Muraz, M. Murphy, T. Murphy, A. Mytilinaki, J. Nachtman, Y. Nagai, S. Nagu, H. Nam, D. Naples, S. Narita, J. Nava, A. Navrer-Agasson, N. Nayak, M. Nebot-Guinot, A. Nehm, J. K. Nelson, O. Neogi, J. Nesbit, M. Nessi, D. Newbold, M. Newcomer, D. Newmark, R. Nichol, F. Nicolas-Arnaldos, A. Nielsen, A. Nikolica, J. Nikolov, E. Niner, X. Ning, K. Nishimura, A. Norman, A. Norrick, F. Noto, P. Novella, A. Nowak, J. A. Nowak, M. Oberling, J. P. Ochoa-Ricoux, S. Oh, S. B. Oh, A. Olivier, T. Olson, Y. Onel, Y. Onishchuk, A. Oranday, M. Osbiston, J. A. Osorio Vélez, L. O'Sullivan, L. Otiniano Ormachea, L. Pagani, G. Palacio, O. Palamara, S. Palestini, J. M. Paley, M. Pallavicini, C. Palomares, S. Pan, M. Panareo, P. Panda, V. Pandey, W. Panduro Vazquez, E. Pantic, V. Paolone, A. Papadopoulou, R. Papaleo, D. Papoulias, S. Paramesvaran, J. Park, J. Park, S. Parke, S. Parsa, S. Parveen, M. Parvu, D. Pasciuto, S. Pascoli, L. Pasqualini, J. Pasternak, G. Patel, J. L. Paton, C. Patrick, L. Patrizii, R. B. Patterson, T. Patzak, A. Paudel, J. Paul, L. Paulucci, Z. Pavlovic, G. Pawloski, D. Payne, A. Peake, V. Pec, E. Pedreschi, S. J. M. Peeters, W. Pellico, E. Pennacchio, A. Penzo, O. L. G. Peres, Y. F. Perez Gonzalez, L. Pérez-Molina, C. Pernas, J. Perry, D. Pershey, G. Pessina, G. Petrillo, C. Petta, R. Petti, M. Pfaff, V. Pia, G. M. Piacentino, L. Pickering, L. Pierini, F. Pietropaolo, V. L. Pimentel, G. Pinaroli, S. Pincha, J. Pinchault, K. Pitts, P. Plesniak, K. Pletcher, K. Plows, C. Pollack, T. Pollmann, F. Pompa, X. Pons, N. Poonthottathil, V. Popov, F. Poppi, J. Porter, L. G. Porto Paixão, M. Potekhin, M. Pozzato, R. Pradhan, T. Prakash, M. Prest, F. Psihas, D. Pugnere, D. Pullia, X. Qian, J. Queen, J. L. Raaf, M. Rabelhofer, V. Radeka, J. Rademacker, F. Raffaelli, A. Rafique, U. Rahaman, A. Rahe, S. Rajagopalan, M. Rajaoalisoa, I. Rakhno, L. Rakotondravohitra, M. A. Ralaikoto, L. Ralte, M. A. Ramirez Delgado, B. Ramson, S. S. Randriamanampisoa, A. Rappoldi, G. Raselli, T. Rath, P. Ratoff, R. Ray, H. Razafinime, R. F. Razakamiandra, E. M. Rea, J. S. Real, B. Rebel, R. Rechenmacher, J. Reichenbacher, S. D. Reitzner, E. Renner, S. Repetto, S. Rescia, F. Resnati, C. Reynolds, M. Ribas, S. Riboldi, C. Riccio, G. Riccobene, J. S. Ricol, M. Rigan, A. Rikalo, E. V. Rincón, A. Ritchie-Yates, D. Rivera, A. Robert, A. Roberts, E. Robles, A. Roche, M. Roda, D. Rodas Rodríguez, M. J. O. Rodrigues, J. Rodriguez Rondon, S. Rosauro-Alcaraz, P. Rosier, D. Ross, M. Rossella, M. Ross-Lonergan, T. Rotsy, N. Roy, P. Roy, P. Roy, C. Rubbia, D. Rudik, A. Ruggeri, G. Ruiz Ferreira, K. Rushiya, B. Russell, S. Sacerdoti, N. Saduyev, S. Saha, S. K. Sahoo, N. Sahu, S. Sakhiyev, P. Sala, G. Salmoria, S. Samanta, M. C. Sanchez, A. Sánchez-Castillo, P. Sanchez-Lucas, D. A. Sanders, S. Sanfilippo, D. Santoro, N. Saoulidou, P. Sapienza, I. Sarcevic, I. Sarra, G. Savage, V. Savinov, G. Scanavini, A. Scanu, A. Scaramelli, T. Schefke, H. Schellman, S. Schifano, P. Schlabach, D. Schmitz, A. W. Schneider, K. Scholberg, A. Schroeder, A. Schukraft, B. Schuld, S. Schwartz, A. Segade, H. Segal, E. Segreto, A. Selyunin, D. Senadheera, C. R. Senise, J. Sensenig, S. H. Seo, D. Seppela, M. H. Shaevitz, P. Shanahan, P. Sharma, R. Kumar, S. Sharma Poudel, K. Shaw, T. Shaw, K. Shchablo, J. Shen, C. Shepherd-Themistocleous, J. Shi, W. Shi, S. Shin, S. Shivakoti, A. Shmakov, I. Shoemaker, D. Shooltz, R. Shrock, M. Siden, J. Silber, L. Simard, J. Sinclair, G. Sinev, Jaydip Singh, J. Singh, L. Singh, P. Singh, V. Singh, S. Singh Chauhan, R. Sipos, C. Sironneau, G. Sirri, K. Siyeon, K. Skarpaas, J. Smedley, J. Smith, P. Smith, J. Smolik, M. Smy, M. Snape, E. L. Snider, P. Snopok, M. Soares Nunes, H. Sobel, M. Soderberg, H. Sogarwal, C. J. Solano Salinas, S. Söldner-Rembold, N. Solomey, V. Solovov, W. E. Sondheim, M. Sorbara, M. Sorel, J. Soto-Oton, A. Sousa, K. Soustruznik, D. Souza Correia, F. Spinella, J. Spitz, N. J. C. Spooner, D. Stalder, M. Stancari, L. Stanco, J. Steenis, R. Stein, H. M. Steiner, A. F. Steklain Lisbôa, J. Stewart, B. Stillwell, J. Stock, T. Stokes, T. Strauss, L. Strigari, A. Stuart, J. G. Suarez, J. Subash, A. Surdo, L. Suter, A. Sutton, K. Sutton, Y. Suvorov, R. Svoboda, S. K. Swain, C. Sweeney, B. Szczerbinska, A. M. Szelc, A. Sztuc, A. Taffara, N. Talukdar, J. Tamara, H. A. Tanaka, S. Tang, N. Taniuchi, A. M. Tapia Casanova, A. Tapper, S. Tariq, E. Tatar, R. Tayloe, A. M. Teklu, K. Tellez Giron Flores, J. Tena Vidal, P. Tennessen, M. Tenti, K. Terao, F. Terranova, G. Testera, T. Thakore, A. Thea, S. Thomas, A. Thompson, C. Thorpe, S. C. Timm, E. Tiras, V. Tishchenko, S. Tiwari, N. Todorović, L. Tomassetti, A. Tonazzo, D. Torbunov, D. Torres Muñoz, M. Torti, M. Tortola, Y. Torun, N. Tosi, D. Totani, M. Toups, C. Touramanis, V. Trabattoni, D. Tran, J. Trevor, E. Triller, S. Trilov, D. Trotta, J. Truchon, D. Truncali, W. H. Trzaska, Y. Tsai, Y. -T. Tsai, Z. Tsamalaidze, K. V. Tsang, N. Tsverava, S. Z. Tu, S. Tufanli, C. Tunnell, S. Turnberg, J. Turner, M. Tuzi, M. Tzanov, M. A. Uchida, J. Ureña González, J. Urheim, T. Usher, H. Utaegbulam, S. Uzunyan, M. R. Vagins, P. Vahle, G. A. Valdiviesso, E. Valencia, R. Valentim, Z. Vallari, E. Vallazza, J. W. F. Valle, R. Van Berg, D. V. Forero, P. Van Gemmeren, A. Vannozzi, M. Van Nuland-Troost, F. Varanini, D. Vargas Oliva, N. Vaughan, K. Vaziri, A. Vázquez-Ramos, J. Vega, J. Vences, S. Ventura, A. Verdugo, M. Verzocchi, K. Vetter, M. Vicenzi, H. Vieira de Souza, C. Vignoli, C. Vilela, E. Villa, S. Viola, B. Viren, G. V. Stenico, R. Vizarreta, A. P. Vizcaya Hernandez, S. Vlachos, G. Vorobyev, Q. Vuong, A. V. Waldron, L. Walker, H. Wallace, M. Wallach, J. Walsh, T. Walton, L. Wan, B. Wang, H. Wang, J. Wang, M. H. L. S. Wang, X. Wang, Y. Wang, D. Warner, L. Warsame, M. O. Wascko, D. Waters, A. Watson, K. Wawrowska, A. Weber, C. M. Weber, M. Weber, H. Wei, A. Weinstein, S. Westerdale, M. Wetstein, K. Whalen, A. J. White, L. H. Whitehead, D. Whittington, F. Wieler, J. Wilhelmi, M. J. Wilking, A. Wilkinson, C. Wilkinson, F. Wilson, R. J. Wilson, P. Winter, J. Wolcott, J. Wolfs, T. Wongjirad, A. Wood, K. Wood, D. Wooley, E. Worcester, M. Worcester, K. Wresilo, M. Wright, M. Wrobel, S. Wu, W. Wu, Z. Wu, M. Wurm, J. Wyenberg, B. M. Wynne, Y. Xiao, I. Xiotidis, B. Yaeggy, N. Yahlali, E. Yandel, G. Yang, J. Yang, T. Yang, A. Yankelevich, L. Yates, U. Yevarouskaya, K. Yonehara, T. Young, B. Yu, H. Yu, J. Yu, W. Yuan, M. Zabloudil, R. Zaki, J. Zalesak, L. Zambelli, B. Zamorano, A. Zani, O. Zapata, L. Zazueta, G. P. Zeller, J. Zennamo, J. Zettlemoyer, K. Zeug, C. Zhang, S. Zhang, Y. Zhang, L. Zhao, M. Zhao, E. D. Zimmerman, S. Zucchelli, A. Zummo, V. Zutshi, R. Zwaska
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宇宙は常に私たちの上に降り注いでいると想像してみてください。ただし、水ではなく、ニュートリノと呼ばれる、目に見えないほど小さく幽霊のような微粒子が降ってくるのです。これらの粒子は究極の「宇宙のヒッチハイカー」です。質量はほとんどなく、電荷も持たず、惑星や星、さらにはあなた自身をも通り抜け、挨拶一つ残さず、傷一つ付けることもありません。あまりに内気であるため、彼らを捕まえることは、暗い部屋の中で幽霊を写真に撮ろうとするようなものです。科学者たちは、他の騒々しい粒子から守られるよう、地下深くへと巨大な検出器を建設し、いつか青い月(滅多にない機会)に一度、ニュートリノが原子に衝突して、かすかな、束の間の火花を残してくれることを願っています。
なぜ私たちはこの「宇宙の幽霊」を気にするのでしょうか? それは、彼らが私たちの存在に関する最大の謎を握っているからです。彼らは、なぜ宇宙が物質と反物質が互いに打ち消し合って消滅することのない、完璧な混合状態ではなく、物質で構成されているのかを説明してくれるかもしれません。また、彼らは自分たちの「質量」の順序(どれが最も重いのか)を教えてくれるかもしれません。これは物理学者たちを数十年にわたって悩ませてきたパズルです。これを解明するためには、ニュートリノを捕まえ、それがどこから来たのか、どのような種類で、どれほどのエネルギーを持っていたのかを突き止める必要があります。それは、一瞬で消え去った泥棒が残した、小さな、散らばったパン屑だけを見て、犯罪を解決しようとするようなものです。
この論文は、DUNE(ディープ・アンダーグラウンド・ニュートリノ実験)と呼ばれる新しい、ハイテクな「犯罪現場」に関するもので、特に、その巨大な液体アルゴン検出器が、大気中での宇宙線との衝突によって大気中から降り注ぐ「大気ニュートリノ」をどれほど上手く捉えられるかに焦点を当てています。研究者たちは、自分たちのソフトウェアが「犯罪」を正確に再構成できるかどうかを確認するために、数百万回もの相互作用をシミュレーションしました。その結果、機械学習を巧みに組み合わせ、メインの粒子だけでなく「すべての」粒子を観察することで、ニュートリノの方向とエネルギーを驚くべき精度で特定できることが分かりました。これは、粒子が検出器に部分的にしか衝突しなかった場合でも可能です。つまり、DUNEはこれらの宇宙の幽霊を狩る準備ができており、宇宙の最も深い秘密のコードを解読できるかもしれないということです。
幽霊ハンターと液体の鏡
DUNE検出器を、液体アルゴンを満たした巨大で透明なスイミングプールだと考えてください。アルゴンは、凍って液体状態になった非常に冷たい貴ガスです。ニュートリノ(幽霊)がついにアルゴンの原子と相互作用すると決めたとき、それは単に消えるのではなく、新しい粒子の混沌としたパーティーを作り出します。これらの中には、長い直線の矢のようなもの(ミューオン)もあれば、爆発する花火のようなもの(電子やハドロン)もあります。これらの新しい粒子が液体の中を突進していく際、アルゴンの原子から電子を叩き出し、電離の跡を作り出します。
検出器は「水平ドリフト」システムを備えています。液体アルゴンを巨大な部屋だと想像してください。電場は、部屋の片側からもう一方へ吹く穏やかな風のように機能します。解き放たれた電子はこの部屋を横切って、敏感なワイヤーの壁に向かってドリフトしていきます。電子がワイヤーに当たると信号が発生します。3つの異なる角度を持つワイヤーの層があるため、検出器はイベントの3D「写真」を撮ることができ、粒子の見えない経路を可視化された3Dマップへと変えることができます。これが「液体アルゴン・タイムプロジェクション・チャンバー(LArTPC)」です。
課題:犯罪現場の再構成
問題は、ニュートリノ自体は決して見えないということです。あなたが見るのは、その「余波」だけです。それは、散らばった破片だけを見て、車が壁に衝突した速度と方向を推測しようとするようなものです。これを行うために、科学者たちはPandokoraと呼ばれる高度なソフトウェア・スイートを使用しました。パンドラを、生のデータ(ワイヤーへの「ヒット」)を受け取り、それらを認識可能な形へとグループ化しようとする、非常に賢い探偵だと考えてください。「これはトラック(軌跡)だ!」(ミューオンや陽子のような直線)、あるいは「これはシャワー(噴霧)だ!」(電子や光子のような粒子のスプレー)といった具合です。
しかし、チームは、ビーム・ニュートリノ(レーザーのように特定の方向から来るもの)に使用していたソフトウェアを、大気ニュートリノ用に調整する必要があることに気づきました。大気ニュートリノは、上、下、横など、あらゆる方向から来ることができます。古いソフトウェアは、ニュートリノが特定の角度から来ると想定して、偏りを持っている可能性がありました。そこで、研究者たちは、1,200万件の大気ニュートリノ・イベントの膨大なシミュレーション・データセットを使用して、機械学習モデル(具体的には畳み込みニューラルネットワーク、CNN)を再学習させました。彼らは、ニュートリノがどこから来たかを仮定せずに、相互作用の頂点(衝突地点)を探すようにAIを訓練したのです。
知見:全体像を見る
この論文の主な発見は、**「すべてを見ることが重要である」**ということです。多くの古い実験では、科学者はニュートリノがどこから来たのかを推測するために、「主要な」粒子(ミューオンや電子などのレプトン)だけを見ていました。しかし、DUNEは非常に詳細であるため、衝突によって生じた他の粒子のスプレーである「ハドロン系」を見ることができます。
研究者たちは、ニュートリノの方向を推測するための3つの異なる方法をテストしました:
- レプトンのみ: 主要な粒子だけを見る。
- 全粒子: 見つかったすべての粒子の運動量を合計する。
- ヒットのみ: 粒子を特定しようとせず、生のエネルギー堆積を見る。
彼らは、すべての再構成された粒子を使用することが、特に低エネルギー(1 GeV未満)において最良の結果をもたらすことを発見しました。それは、投げられたボールの方向を知るために、ボールだけを見る(レプトンのみ)のと、ボールとそれが巻き上げた塵の雲の両方を見る(全粒子)のを比べるようなものです。塵の雲は追加の手がかりを与えてくれます。高エネルギー(2 GeV以上)のニュートリノの場合、「ヒットのみ」の手法が非常に有効になります。なぜなら、粒子の軌跡があまりに乱雑になるため、個々の粒子を特定しようとするよりも、全体のエネルギーのスプレーを見る方が容易になるからです。
精度と「部分的」な問題
大きな懸念の一つは、検出器は宇宙よりも小さいため、多くの高エネルギー・ニュートリノは検出器に「部分的に」しか衝突しないということです。粒子が検出器がすべてを捉える前に反対側へ飛び出してしまうのです。これは「部分的包含(PC)」イベントと呼ばれます。
この論文は、DUNEがこれらの「逃亡者」を扱うのが驚くほど上手であることを示しています。粒子が飛び出していったとしても、検出器は依然としてそのエネルギーと方向をかなりの精度で再構成できます。例えば、ミューオンが逃げ出した場合、彼らは**多重クーロン散乱(MCS)**という手法を用いました。ピンボールマシンを想像してください。ミューオンが液体の中を突進する際、原子にわずかに跳ね返ります。この「よろめき」を測定することで、たとえ全経路が見えていなくても、科学者はその速度を推定できます。彼らは、1 GeV以下のミューオンに対して、この手法が25%のエネルギー分解能を与え、これは非常に良好であることを発見しました。
電子については、「シャワー」(水のスプレーのようなもの)を作り出し、1 GeVでの分解能は約15%でした。また、チームは検出器の向きがわずかに影響することも発見しました。ワイヤーが特定のグリッド状に配置されているため、横方向に動く粒子と比較して、垂直方向(y軸方向)に動く粒子を測定するのはわずかに困難です。しかし、この特異な性質があっても、衝突地点(頂点)を見つける効率は高く、エネルギーに応じて76%から90%を維持しています。
フレーバー識別:犯人は誰か?
もう一つの重要な仕事は、衝突を引き起こしたのがどの「フレーバー」のニュートリノかを突き止めることです。電子ニュートリノだったのか、それともミューオン・ニュートリノだったのか? チームは、イベントの2D「写真」を見るように訓練された画像認識AIである、**畳み込み視覚ネットワーク(CVN)**を使用しました。それは、子供に猫と犬の写真を見せて、その違いを答えさせるようなものです。
結果は素晴らしいものでした。AIは、0.1から10 GeVのエネルギー範囲にわたって、荷電流相互作用を90%以上の効率で正しく識別できました。ニュートリノが上から来たか下から来たかは関係ありません。AIは、その違いを見分けることに等しく優れていました。これは、ニュートリノのフレーバー(種類)を知ることが、ニュートリノ振動(移動中にどのようにフレーバーが変わるか)を測定する上で不可欠であるため、非常に重要なことです。
結論
この論文は、DUNEにとっての「リハーサル」です。それは、検出器のハードウェアと新しいソフトウェアのアップグレードが、大気ニュートリノを捕らえる準備ができていることを証明しています。鍵となる教訓は、DUNEがメインの粒子だけでなく「すべての」粒子を見ることができる能力が、他の検出器に対するスーパーパワーになるということです。水を用いた検出器(スーパーカミオカンデなど)は、「破片」がかすかすぎて見えないために、メインの粒子に基づいて推測せざるを得ないことが多いですが、DUNEはその「混乱」のすべてを見ることができます。
シミュレーションによれば、DUNEは高エネルギー(10 GeV)において約7〜10度の精度でニュートリノの方向を測定でき、レプトンのみを見る場合と比較してエネルギー分解能を大幅に向上させることができます。これは、DUNEが既知の事柄を裏付けるだけでなく、これらの宇宙の幽霊を前例のない明晰さで分析することで、ステライル・ニュートリノや非標準的な相互作用といった「新しい物理学」を発見する準備ができていることを意味しています。幽霊ハンターたちの準備は整いました。網は投げられ、データが捕らえられるのを待っています。
技術要約:DUNEの水平ドリフト型遠隔検出器モジュールにおける大気ニュートリノの再構成
問題提起
Deep Underground Neutrino Experiment (DUNE) は、高強度のビームを用いた長基線ニュートリノ振動研究のために主に設計されている。しかし、最初の2つの遠隔検出器(FD)モジュールはビームが稼働する前に運用可能であり、これは大気ニュートリノを利用する機会を提示している。大気ニュートリノは、広範なエネルギー範囲(0.1–100 GeV)と基線を備えた連続的な多種フレーバーのソースであるが、その再構成はビームニュートリノと比較して特有の課題がある。具体的には、入射方向が未知であること、フラックスのモデル化が精密ではないこと、相互作用時刻(t0)が事前に既知ではないこと、そしてニュートリノと反ニュートリノを区別することが困難であることなどが挙げられる。さらに、頂点探索や粒子識別を補助する既知のビーム方向の恩恵を受けることなく、多様な相互作用トポロジーやエネルギーを扱う再構成が必要となる。本論文は、DUNEの水平ドリフト(FD-HD)液体アルゴン時間投影チャンバー(LArTPC)において、大気ニュートリノ向けに特別に調整された完全な再構成ツールの検証および展開の必要性に対処するものである。
手法
本研究では、GENIE v3.04.00を用いて生成され、Geant4およびLArSoftを通じてFD-HDモジュールの簡略化された「1x2x6」ジオメトリに伝播させた、エネルギー0.1 GeVから10 GeVの約1200万個の大気ニュートリノ相互作用のシミュレーションサンプルを利用する。再構成ワークフローは、MicroBooNE実験から適応・改変されたPandoraソフトウェア開発キット(SDK)に依存している。
主要な手法構成要素は以下の通りである:
- 頂点探索(Vertex Finding): ビーム方向の優先性がなく、それがビーム学習済みネットワークにバイアスを与えることを考慮し、大気サンプルを用いて再学習させた畳み込みニューラルネットワーク(CNN)により、相互作用の頂点を特定する。
- 粒子再構成(Particle Reconstruction): 2Dワイヤヒットから粒子フロー粒子(PFP)を再構成する。ミューオン、電子、陽子、パイオン、光子の効率、純度、および完全性を評価する。
- 粒子識別(PID): 粒子をトラック状とシャワー状に分離するために、ブーステッド決定木(BDT)を用いる。また、$dE/dx$ プロファイルに基づく現象論的モデル(PIDA)を用いて陽子を識別する。
- エネルギー再構成:
- ミューオン: 完全包含されたトラックには定数減速近似(CSDA)を用い、未包含のトラックにはLLHD尤度法による多重クーロン散乱(MCS)を用いる。
- 電子/シャワー: 主に高信号W収集平面からのヒットの熱量計的総和を用いる。
- ハドロン: パイオンには熱量計的手法を用い、陽子にはCSCSAを用いる。また、不可視エネルギー(例:中性子)を補正するために、全ハドロンエネルギーにスケーリング係数を適用する。
- 方向再構成: 3つの異なるアルゴリズムを開発し、比較した:
- レプトンのみ: 主要レプトンの方向を使用する。
- 全再構成粒子: 再構成されたすべての終状態粒子の運動量をベクトル的に合算する。
- ヒットのみ: 高レベルの粒子再構成とは独立して、3つの読み出し面における加重電荷分布のχ2フィットを使用する。
- フレーバー決定: 3つの検出面からの2D画像マップを用いて、相互作用フレーバー(νe,νμ,NC)を分類するために、畳み込み視覚ネットワーク(CVN)を採用する。
主要な結果
- 頂点分解能: 再学習されたCNNは、すべての方向に対してサブセンチメートル級(<1 cm)の頂点分解能を達成しており、完全包含された電荷電流(CC)イベントに対して75%から90%の効率を示す。幾何学的な制限により、y軸(収集平面ワイヤ方向)に沿っては性能がわずかに低下する。
- 粒子再構成: ミューオンは最も高い再構成効率(>90%)と最良の方向分解能(1 GeVで<5°)を示す。陽子およびパイオンの効率は、複雑なハドロンシャワーのトポロジーにより、高エネルギー(>1 GeV)で低下する。光子の再構成効率は、シャワーがより明確になる高エネルギー(>2 GeV)において向上する。
- エネルギー分解能:
- νe CCイベントにおいて、全ニュートリノエネルギー分解能は低エネルギーで<15%、高エネルギーでは約20%である。
- νμ CCイベントにおいて、完全包含されたイベントの分解能は低エネルギーで<10%、高エネルギーでは約15%である。
- 極めて重要な点として、ハドロン系の情報を組み込むことで、特にνeおよびνμのマルチGeVスケールにおいて、レプトン情報のみを使用する場合と比較してエネルギー分解能が大幅に向上する。
- 方向再構成: 「全再構成粒子」法は、低エネルギー(<1 GeV)において「レプトンのみ」法よりも優れた性能を示す。高エネルギー(>2 GeV)では、「ヒットのみ」法が同等またはより優れた性能を示し、これは混雑したイベントにおける再構成バイアスを回避するためである。イベントのトポロジーとエネルギーに基づいて手法を選択するハイブリッドアプローチが提案されている。方向分解能は、CCイベントにおいて10 GeVで約7°–9°に達する。
- フレーバー識別: CVNは、1 GeV以下においてνeおよびνμ CC相互作用に対して90%以上の選択効率と90%以上の純度を達成し、10 GeVまで80%以上の純度を維持する。性能はニュートリノの天頂角にほとんど依存しない。
意義と主張
本論文は、本研究がDUNEのFD-HDモジュールにおける大気ニュートリノのための完全な再構成チェーンの最初の包括的な展開および検証であることを主張している。主な意義は、DUNEのLArTPC技術が、ビームニュートリノ向けに最適化されている一方で、大気ニュートリノも高精度に再構成できる能力を備えていることを実証した点にある。
具体的には、著者らは以下のことを主張している:
- 優れたハドロン再構成: 水チェレンコフ検出器とは異なり、DUNEは低い閾値でハドロン系を検出し再構成することができる。この能力は、他の検出器がほぼレプトン情報のみに依存するサブGeVからマルチGeVの範囲において、エネルギーおよび方向再構成を大幅に強化する。
- 競争力のある性能: DUNEは、これらの特定の指標において、KM3NeT/ORCAのような現在の、あるいは将来の大容量検出器を上回る、10°以下の天頂角分解能とマルチGeVスケールでの約15%のエネルギー分解能を達成すると期待される。
- 物理的準備性: この結果は、大気ニュートリノがビームニュートリノと同等の効率と分解能で再構成可能であることを裏付けている。これは、ニュートリノ質量順序、θ23 オクタント、およびCP位相δCPの測定、さらには標準模型を超える(BSM)物理学の探索を含む、DUNEの物理プログラムにおいて大気ニュートリノを使用することの実現可能性を検証するものである。
- 将来の解析の基礎: 本研究は、DUNEにおける大気ニュートリノを用いた最初のニュートリノ振動感度解析の開発に向けた必要な第一歩であり、ビームが稼働する前であっても、実験が最初の測定を行う準備ができていることを保証するものである。
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