论文标题

在Protodune-SP检测器中低能电子的识别和重建

Identification and reconstruction of low-energy electrons in the ProtoDUNE-SP detector

论文作者

DUNE Collaboration, Abud, A. Abed, Abi, B., Acciarri, R., Acero, M. A., Adames, M. R., Adamov, G., Adamowski, M., Adams, D., Adinolfi, M., Adriano, C., Aduszkiewicz, A., Aguilar, J., Ahmad, Z., Ahmed, J., Aimard, B., Akbar, F., Allison, K., Monsalve, S. Alonso, Alrashed, M., Alt, C., Alton, A., Alvarez, R., Amedo, P., Anderson, J., Andrade, D. A., Andreopoulos, C., Andreotti, M., Andrews, M. P., Andrianala, F., Andringa, S., Anfimov, N., Campanelli, W. L. Anicézio, Ankowski, A., Antoniassi, M., Antonova, M., Antoshkin, A., Antusch, S., Aranda-Fernandez, A., Arellano, L., Arnold, L. O., Arroyave, M. A., Asaadi, J., Asquith, L., Aurisano, A., Aushev, V., Autiero, D., Ayala-Torres, M., Azfar, F., Back, A., Back, H., Back, J. J., Bagaturia, I., Bagby, L., Balashov, N., Balasubramanian, S., Baldi, P., Baller, B., Bambah, B., Barao, F., Barenboim, G., Barker, G. J., Barkhouse, W., Barnes, C., Barr, G., Monarca, J. Barranco, Barros, A., Barros, N., Barrow, J. L., Basharina-Freshville, A., Bashyal, A., Basque, V., Batchelor, C., Battat, J. B. R., Battisti, F., Bay, F., Bazetto, M. C. Q., Alba, J. L. L. Bazo, Beacom, J. F., Bechetoille, E., Behera, B., Belchior, E., Bellantoni, L., Bellettini, G., Bellini, V., Beltramello, O., Benekos, N., Montiel, C. Benitez, Benjamin, D., Neves, F. Bento, Berger, J., Berkman, S., Bernardini, P., Berner, R. M., Bersani, A., Bertolucci, S., Betancourt, M., Rodríguez, A. Betancur, Bevan, A., Bezawada, Y., Bezerra, A. T., Bezerra, T. J., Bhambure, J., Bhardwaj, A., Bhatnagar, V., Bhattacharjee, M., Bhattarai, D., Bhuller, S., Bhuyan, B., Biagi, S., Bian, J., Biassoni, M., Biery, K., Bilki, B., Bishai, M., Bisignani, V., Bitadze, A., Blake, A., Blaszczyk, F. D., Blazey, G. C., Blend, D., Blucher, E., Boissevain, J., Bolognesi, S., Bolton, T., Bomben, L., Bonesini, M., Bonilla-Diaz, C., Bonini, F., Booth, A., Boran, F., Bordoni, S., Borkum, A., Bostan, N., Bour, P., Boyden, D., Bracinik, J., Braga, D., Brailsford, D., Branca, A., Brandt, A., Bremer, J., Brew, C., Brice, S. J., Brizzolari, C., Bromberg, C., Brooke, J., Bross, A., Brunetti, G., Brunetti, M., Buchanan, N., Budd, H., Buergi, J., V., G. Caceres, Cagnoli, I., Cai, T., Caiulo, D., Calabrese, R., Calafiura, P., Calcutt, J., Calin, M., Calivers, L., Calvez, S., Calvo, E., Caminata, A., Caratelli, D., Carber, D., Carceller, J. C., Carini, G., Carlus, B., Carneiro, M. F., Carniti, P., Terrazas, I. Caro, Carranza, H., Carrara, N., Carroll, L., Carroll, T., Forero, J. F. Castaño, Castillo, A., Catano-Mur, E., Cattadori, C., Cavalier, F., Cavallaro, G., Cavanna, F., Centro, S., Cerati, G., Cervelli, A., Villanueva, A. 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De Icaza, Deisting, A., De Jong, P., De la Torre, A., Delbart, A., De Leo, V., Delepine, D., Delgado, M., Dell'Acqua, A., Delmonte, N., De Lurgio, P., Neto, J. R. T. de Mello, DeMuth, D. M., Dennis, S., Densham, C., Deptuch, G. W., De Roeck, A., De Romeri, V., De Souza, G., Detje, J. P., Devi, R., Dharmapalan, R., Dias, M., Díaz, J. S., Díaz, F., Di Capua, F., Di Domenico, A., Di Domizio, S., Di Giulio, L., Ding, P., Di Noto, L., Distefano, C., Diurba, R., Diwan, M., Djurcic, Z., Doering, D., Dolan, S., Dolek, F., Dolinski, M. J., Domine, L., Donati, S., Donon, Y., Doran, S., Douglas, D., Dragone, A., Drielsma, F., Duarte, L., Duchesneau, D., Duffy, K., Dugas, K., Dunne, P., Dutta, B., Duyang, H., Dvornikov, O., Dwyer, D. A., Dyshkant, A. S., Eads, M., Earle, A., Edmunds, D., Eisch, J., Emberger, L., Englezos, P., Ereditato, A., Erjavec, T., Escobar, C. O., Evans, J. J., Ewart, E., Ezeribe, A. C., Fahey, K., Fajt, L., Falcone, A., Fani', M., Farnese, C., Farzan, Y., Fedoseev, D., Felix, J., Feng, Y., Fernandez-Martinez, E., Ferraro, F., Fields, L., Filip, P., Filkins, A., Filthaut, F., Fine, R., Fiorillo, G., Fiorini, M., Fischer, V., Fitzpatrick, R. S., Flanagan, W., Fleming, B., Flight, R., Fogarty, S., Foreman, W., Fowler, J., Franc, J., Franco, D., Freeman, J., Freestone, J., Fried, J., Friedland, A., Fuess, S., Furic, I. K., Furman, K., Furmanski, A. P., Gabrielli, A., Gago, A., Gallagher, H., Gallas, A., Gallego-Ros, A., Gallice, N., Galymov, V., Gamberini, E., Gamble, T., Ganacim, F., Gandhi, R., Ganguly, S., Gao, F., Gao, S., Garcia-Gamez, D., García-Peris, M. Á., Gardiner, S., Gastler, D., Gauch, A., Gauvreau, J., Gauzzi, P., Ge, G., Geffroy, N., Gelli, B., Gendotti, A., Gent, S., Ghorbani-Moghaddam, Z., Giammaria, P., Giammaria, T., Giangiacomi, N., Gibin, D., Gil-Botella, I., Gilligan, S., Gioiosa, A., Girerd, C., Giri, A. K., Gnani, D., Gogota, O., Gold, M., Gollapinni, S., Gollwitzer, K., Gomes, R. A., Bermeo, L. V. Gomez, Fajardo, L. S. Gomez, Gonnella, F., Gonzalez-Diaz, D., Gonzalez-Lopez, M., Goodman, M. C., Goodwin, O., Goswami, S., Gotti, C., Goudzovski, E., Grace, C., Gran, R., Granados, E., Granger, P., Grant, C., Gratieri, D., Green, P., Greenberg, S., Greenler, L., Greer, J., Grenard, J., Griffith, W. C., Groetschla, F. T., Groh, M., Grzelak, K., Gu, W., Guardincerri, E., Guarino, V., Guarise, M., Guenette, R., Guerard, E., Guerzoni, M., Guffanti, D., Guglielmi, A., Guo, B., Gupta, A., Gupta, V., Guthikonda, K. K., Guzowski, P., Guzzo, M. M., Gwon, S., Ha, C., Haaf, K., Habig, A., Hadavand, H., Haenni, R., Hagaman, L., Hahn, A., Haiston, J., Hamacher-Baumann, P., Hamernik, T., Hamilton, P., Han, J., Harris, D. A., Hartnell, J., Hartnett, T., Harton, J., Hasegawa, T., Hasnip, C., Hatcher, R., Hatfield, K. W., Hatzikoutelis, A., Hayes, C., Hayrapetyan, K., Hays, J., Hazen, E., He, M., Heavey, A., Heeger, K. M., Heise, J., Henry, S., Morquecho, M. A. Hernandez, Herner, K., Hewes, V., Hilgenberg, C., Hill, T., Hillier, S. J., Himmel, A., Hinkle, E., Hirsch, L. R., Hoff, J., Holin, A., Hoppe, E., Horton-Smith, G. A., Hostert, M., Hourlier, A., Howard, B., Howell, R., Barrios, J. Hoyos, Hristova, I., Hronek, M. S., Huang, J., Huang, R. G., Hulcher, Z., Iles, G., Ilic, N., Iliescu, A. M., Illingworth, R., Ingratta, G., Ioannisian, A., Irwin, B., Isenhower, L., Oliveira, M. Ismerio, Itay, R., Jackson, C. M., Jain, V., James, E., Jang, W., Jargowsky, B., Jediny, F., Jena, D., Jeong, Y. S., Jesús-Valls, C., Ji, X., Jiang, J., Jiang, L., Jipa, A., Jo, J. H., Joaquim, F. R., Johnson, W., Jones, B., Jones, R., Jovancevic, N., Judah, M., Jung, C. K., Junk, T., Jwa, Y., Kabirnezhad, M., Kaboth, A., Kadenko, I., Kakorin, I., Kalitkina, A., Kalra, D., Koseyan, O. Kamer, Kamiya, F., Kaplan, D. M., Karagiorgi, G., Karaman, G., Karcher, A., Karyotakis, Y., Kasai, S., Kasetti, S. P., Kashur, L., Katsioulas, I., Kazaryan, N., Kearns, E., Keener, P., Kelly, K. J., Kemp, E., Kemularia, O., Ketchum, W., Kettell, S. H., Khabibullin, M., Khotjantsev, A., Khvedelidze, A., Kim, D., King, B., Kirby, B., Kirby, M., Klein, J., Kleykamp, J., Klustova, A., Kobilarcik, T., Koehler, K., Koerner, L. W., Koh, D. H., Kohn, S., Koller, P. P., Kolupaeva, L., Korablev, D., Kordosky, M., Kosc, T., Kose, U., Kostelecký, V. A., Kothekar, K., Kotler, I., Kozhukalov, V., Kralik, R., Kreczko, L., Krennrich, F., Kreslo, I., Kropp, W., Kroupova, T., Kudenko, Y., Kudryavtsev, V. A., Kuhlmann, S., Kulagin, S., Kumar, J., Kumar, P., Kunze, P., Kuravi, R., Kurita, N., Kuruppu, C., Kus, V., Kutter, T., Kvasnicka, J., Kwak, D., Lambert, A., Land, B. J., Lane, C. E., Lang, K., Langford, T., Langstaff, M., Lanni, F., Lantwin, O., Larkin, J., Lasorak, P., Last, D., Laundrie, A., Laurenti, G., Lawrence, A., Laycock, P., Lazanu, I., Lazzaroni, M., Le, T., Leardini, S., Learned, J., LeBrun, P., LeCompte, T., Lee, C., Legin, V., Miotto, G. Lehmann, Lehnert, R., de Oliveira, M. A. Leigui, Leitner, M., Lepin, L. M., Li, S. W., Li, Y., Liao, H., Lin, C. S., Lin, S., Lineros, R. A., Ling, J., Lister, A., Littlejohn, B. R., Liu, J., Liu, Y., Lockwitz, S., Loew, T., Lokajicek, M., Lomidze, I., Long, K., Lord, T., LoSecco, J. M., Louis, W. C., Lu, X. -G., Luk, K. B., Lunday, B., Luo, X., Luppi, E., Lux, T., Luzio, V. P., Maalmi, J., MacFarlane, D., Machado, A. A., Machado, P., Macias, C. T., Macier, J. R., Maddalena, A., Madera, A., Madigan, P., Magill, S., Mahn, K., Maio, A., Major, A., Majumdar, K., Maloney, J. A., Mandrioli, G., Mandujano, R. C., Maneira, J., Manenti, L., Manly, S., Mann, A., Manolopoulos, K., Plata, M. Manrique, Manyam, V. 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论文摘要

从$ν_e$相互作用的电子测量对于深层中微子实验(Dune)中微子振荡计划以及搜索标准模型,超新星中微子检测和太阳中微子测量以外的物理学的搜索至关重要。本文介绍了Protodune SP探测器中低能(Michel)电子的选择和重建。 Protodune SP是Dune FAR检测器的原型之一,该原型是作为带电的粒子测试束实验在CERN建造和操作的。纯度为95%,选择了由宇宙muons衰减产生的低能电子样品。该样品用于用两种技术校准低能电子能量表。基于宇宙射线MUON样品的电子能量校准使用源自测量和模拟的宇宙射线MUON事件的校准常数。另一种校准技术利用了理论上理解的米歇尔电子能量光谱,将重建电荷转换为电子能量。此外,量化了检测器对低能电子能量量表及其分辨率(包括读数电子阈值效应)的影响。最后,得出了理论和重建的低能电子能谱之间的关系,并表征了能量分辨率。此处介绍的低能电子选择约占总电子沉积能量的75%。在使用蒙特卡洛模拟添加损失的能量之后,在50〜MEV时,能量分辨率从约40%提高到25%。这些结果用于验证Dune FAR检测器的预期能力以重建低能电子。

Measurements of electrons from $ν_e$ interactions are crucial for the Deep Underground Neutrino Experiment (DUNE) neutrino oscillation program, as well as searches for physics beyond the standard model, supernova neutrino detection, and solar neutrino measurements. This article describes the selection and reconstruction of low-energy (Michel) electrons in the ProtoDUNE-SP detector. ProtoDUNE-SP is one of the prototypes for the DUNE far detector, built and operated at CERN as a charged particle test beam experiment. A sample of low-energy electrons produced by the decay of cosmic muons is selected with a purity of 95%. This sample is used to calibrate the low-energy electron energy scale with two techniques. An electron energy calibration based on a cosmic ray muon sample uses calibration constants derived from measured and simulated cosmic ray muon events. Another calibration technique makes use of the theoretically well-understood Michel electron energy spectrum to convert reconstructed charge to electron energy. In addition, the effects of detector response to low-energy electron energy scale and its resolution including readout electronics threshold effects are quantified. Finally, the relation between the theoretical and reconstructed low-energy electron energy spectrum is derived and the energy resolution is characterized. The low-energy electron selection presented here accounts for about 75% of the total electron deposited energy. After the addition of lost energy using a Monte Carlo simulation, the energy resolution improves from about 40% to 25% at 50~MeV. These results are used to validate the expected capabilities of the DUNE far detector to reconstruct low-energy electrons.

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