Experimento de interacción entre neutrones y neutrinos en aceleradores

Experimento con detector Cherenkov de agua
Logotipo del experimento de interacción entre neutrones y aceleradores de neutrones

El Accelerator Neutrino Neutron Interaction Experiment ( ANNIE ) es un experimento de detector Cherenkov de agua propuesto diseñado para examinar la naturaleza de las interacciones de neutrinos . Este experimento estudiará fenómenos como la desintegración de protones y las oscilaciones de neutrinos , analizando las interacciones de neutrinos en agua cargada de gadolinio y midiendo su rendimiento neutrónico. El etiquetado de neutrones juega un papel importante en el rechazo de fondo de los neutrinos atmosféricos. [1] Al implementar los primeros prototipos de LAPPD ( fotodetector de picosegundos de área grande ), es posible una sincronización de alta precisión. La ubicación sugerida para ANNIE es la sala SciBooNE en el haz de neutrinos Booster asociado con el experimento MiniBooNE . El haz de neutrinos se origina en Fermilab, donde The Booster entrega protones de 8 GeV a un objetivo de berilio que produce piones y kaones secundarios . Estos mesones secundarios se desintegran para producir un haz de neutrinos con una energía promedio de alrededor de 800 MeV. [2] La instalación de ANNIE comenzará en el verano de 2015. [3] La fase I de ANNIE, que mapea el fondo de neutrones, se completó en 2017. El detector se está actualizando para su operación científica completa (la llamada fase II), que se espera que comience a fines de 2018. [4]

Diseño experimental

ANNIE se ejecutará utilizando el Booster Neutrino Beam (BNB), que funciona a 7,5 Hz, con aproximadamente 4 x 10 12 protones en el objetivo por derrame. Estos se entregan en 81 haces durante 1,6 microsegundos por derrame a un objetivo ubicado 100 metros aguas arriba en la sala SciBooNE. El haz, en modo neutrino, está compuesto en un 94 % por neutrinos muónicos puros con una energía de pico de flujo de alrededor de 700 MeV . [2]

El objetivo de agua utilizado por ANNIE es un volumen cilíndrico de 3,8 m de largo y 2,3 m de diámetro encerrado en un revestimiento de plástico y una carcasa de aluminio . El objetivo estará instrumentado por 60 a 100 tubos fotomultiplicadores de ocho pulgadas . Parte del detector sándwich de centelleador de hierro utilizado para rastrear la dirección de los muones hijos en el objetivo SCiBooNE, llamado Detector de Rango de Muones (MRD), podría ser utilizado por ANNIE. El MRD se modificará reemplazando 10 de las 13 capas de centelleador con cámaras de placa resistiva (RPC). Esta actualización permitirá una precisión de nivel centimétrico en cada capa. Además, las RCP son capaces de soportar un campo magnético de 1 T. Un campo aplicado de este tipo podría algún día añadirse a ANNIE para lograr la reconstrucción de carga - espín en el MRD. Esto también permitiría la reconstrucción del momento en las energías de evento más altas.

Dada la escala de pocos metros del detector, sería posible lograr una reconstrucción de eventos basada en el tiempo utilizando información de la radiación Cherenkov producida durante los eventos en el detector. Para lograr la resolución temporal de picosegundos necesaria, ANNIE pretende utilizar los primeros prototipos comerciales de fotodetectores de picosegundos de área grande (LAPPD). [3]

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Los fotodetectores de picosegundos de área grande son fotodetectores MCP de 8 pulgadas x 8 pulgadas x 0,6 pulgadas . Mientras que los PMT comunes son detectores de un solo píxel, los LAPPD pueden resolver la posición y el tiempo de fotones individuales dentro de un solo detector con resoluciones de tiempo y espacio superiores a 3 mm y 100 picosegundos respectivamente. Las simulaciones iniciales de Monte Carlo muestran que el uso de LAPPD de esta precisión permitiría a ANNIE operar como un detector de seguimiento con una resolución de reconstrucción de vértices y seguimiento del orden de unos pocos centímetros. [5] Estos detectores se encuentran en sus etapas finales de desarrollo.

Objetivos de la física

Gráfico que muestra 3 neutrinos y partículas interactuantes, según el Modelo Estándar de Partículas Elementales

El uso de un haz de neutrinos dirigido permite la reconstrucción de la energía inicial del neutrino y, por lo tanto, la transferencia de momento total durante la interacción. ANNIE examina las interacciones entre neutrinos y núcleos en agua con el objetivo de producir mediciones de la abundancia de neutrones del estado final en función de la transferencia de momento total . La captura de neutrones se ve facilitada por las sales de gadolinio solvatadas que tienen altas secciones transversales de captura de neutrones y emiten alrededor de 8 MeV en radiación gamma tras la absorción de un neutrón termalizado. [6] La caracterización del rendimiento de neutrones en eventos de fondo de desintegración de protones, que se encuentran predominantemente en interacciones de neutrinos atmosféricos en grandes detectores Cherenkov de agua como Super-Kamiokande , ayudaría a aumentar la confianza en la observación de eventos similares a la desintegración de protones. Al estudiar el rendimiento de neutrones, los eventos capturados en el volumen fiducial pueden separarse entre una variedad de tipos de eventos de corriente cargada ( CC ) y corriente neutra ( NC ).

La capacidad de etiquetar neutrones en el estado final también permitirá a ANNIE probar modelos nucleares específicos para comprobar su validez en interacciones de neutrinos. En el modo neutrino, el modo en el que el haz está formado predominantemente por neutrinos, se espera que la multiplicidad de neutrones sea menor para las interacciones CC . Esto se puede utilizar para distinguir candidatos a oscilaciones de neutrinos electrónicos de fondos como la producción de piones o fotones neutros. [7] Además, ANNIE buscará la aparición de neutrinos electrónicos en la línea del haz.

Desintegración de protones

La desintegración de protones es una predicción de muchas teorías de gran unificación . ANNIE caracterizará la producción de neutrones de eventos que generan firmas similares a las de la desintegración de protones en detectores Cherenkov de agua. Los dos canales de desintegración de protones que son de interés para ANNIE y los más populares entre las GUT son: [3]


pag+
 
→  
mi+
 
+  
π0

pag+
 
→  
K+
 
+  
no

El primero es el canal de desintegración preferido en los modelos GUT mínimos SU(5) y SO(10), mientras que el segundo es típico de los GUT supersimétricos , donde los operadores de dimensión 5 inducen desintegraciones que requieren un quark extraño. El super-Kamiokande ha mostrado un límite mínimo por encima de 10 34 años.

En el canal de piones neutros , habría tres pistas en cascada, una del leptón cargado y dos de los productos de desintegración del pión neutro. Para confirmar la PDK , dos de las pistas deben dar una masa invariante cercana a la del pión neutro, 85-185 MeV, la masa invariante total dada por las pistas debe ser cercana a la del protón 800-1050 MeV y el momento desequilibrado debe ser menor a 250 MeV. [8] En este canal, el 81% de los fondos son eventos de corriente cargada, siendo el 47% eventos con uno o más piones y el 28% cuasielásticos [9] y en proporciones similares cuando el leptón cargado es un antimuón. En el canal de kaones cargados, se ve evidencia del kaón en sus productos de desintegración, que son predominantemente un antimuón y un neutrino muónico. El segundo canal de desintegración común del kaón produce un pión cargado y un pión neutro. La desintegración posterior del pión cargado produce un muón que se encuentra dentro del umbral detectable para los detectores Cherenkov de agua. Por lo tanto, ambos canales también son propensos al fondo atmosférico de neutrinos CC . [10]

Los eventos de fondo de desintegración de protones producen predominantemente uno o más neutrones, mientras que se espera que las desintegraciones de protones produzcan un neutrón solo alrededor del 6 % del tiempo [8].

Marcado de neutrones

Los neutrones libres en estado final se capturan en el agua dopada con gadolinio del detector. Incluso los neutrones con energías que oscilan en los cientos de MeV perderán energía rápidamente a través de colisiones en el agua. Una vez que estos neutrones se han termalizado, experimentan captura radiativa en la que se incorporan a un núcleo para producir un estado más fuertemente ligado. El exceso de energía se emite como una cascada gamma. En agua pura, la captura de neutrones produce alrededor de 2,2 MeV en radiación gamma. [11] Para mejorar la visibilidad de los eventos de captura de neutrones, las sales de gadolinio se disuelven en los medios acuosos de ANNIE. El gadolinio tiene una sección transversal de captura más grande , alrededor de 49.000 barns , y esto ocurre en el orden de microsegundos después de que se emite el neutrón libre. Además, el evento de captura en gadolinio produce una cascada de 8 MeV de 2-3 gammas. [6]

La naturaleza de los procesos de producción de neutrones asociados a las interacciones de neutrinos es poco conocida, aunque se ha observado que dichas interacciones a escalas de GeV producen fácilmente uno o más neutrones. Se espera que la cantidad de neutrones en el estado final dependa de la transferencia de momento, y que las interacciones de mayor energía produzcan una mayor cantidad de neutrones. Este fenómeno se ha documentado en grandes detectores Cherenkov de agua. [12] Estos eventos de neutrinos característicos constituyen una gran parte del fondo de PDK . Si bien la presencia de neutrones se puede utilizar para eliminar eventos de fondo, la ausencia de cualquier neutrón puede mejorar significativamente la confianza en la observación de un evento de PDK . ANNIE intentará caracterizar la confianza exacta en el rechazo de eventos de fondo basándose en experimentos de marcado de neutrones optimizados para la aplicación de interacciones de neutrinos atmosféricos. Tal extrapolación es posible debido a la similitud entre el perfil de flujo del haz de neutrinos Booster y el flujo de neutrinos atmosféricos. [2] [13]

Los fondos de neutrones en ANNIE surgen principalmente de las interacciones de neutrinos con las rocas circundantes corriente arriba.

Línea de tiempo

Primera fase: desarrollo técnico y caracterización de antecedentes

  • Comienza la instalación en el verano de 2015
  • Carrera Otoño 2015 - Primavera 2016

El objetivo de ANNIE será caracterizar los fondos de neutrones. Las primeras pruebas se realizarán con 60 PMT tipo S en lugar de LAPPD hasta que estén disponibles. Este tiempo se utilizará para probar prototipos de LAPPD. Además, se utilizará un volumen más pequeño y móvil de agua dopada con gadolinio para medir las tasas de eventos de neutrones en función de la posición dentro del tanque.

Fase dos: Prueba de física ANNIE I

  • Instalación Verano 2016

ANNIE comenzará esta fase cuando se adquieran suficientes LAPPD. Esta fase implica el uso de un volumen completo de agua dopada con gadolinio, 60 PMT Tipo-S , una cantidad pequeña pero suficiente de LAPPD y el MRD renovado. La primera medición será de rendimiento neutrónico en función de la transferencia de momento y la energía visible. Esta fase tiene como objetivo demostrar la adquisición de datos completa, el funcionamiento exitoso de los LAPPD para el seguimiento, el funcionamiento exitoso del MRD para el seguimiento y las calibraciones de tiempo completas.

Fase tres: Prueba de física ANNIE II

  • Se llevará a cabo en el otoño de 2017 o al finalizar la fase II hasta el otoño de 2018.

Esta etapa representa la realización completa del detector ANNIE. La cobertura del LAPPD será superior al 10% isotrópicamente, lo que corresponde a 50-100 LAPPD. Durante esta etapa, será posible la reconstrucción detallada de la cinemática y, por lo tanto, las mediciones de rendimiento neutrónico para las clases de eventos determinadas por las partículas del estado final . La fase III se diseñará para identificar los fondos PDK basados ​​en simulaciones y datos de las fases I y II.

  • "Página de inicio de ANNIE" . Consultado el 10 de octubre de 2016 .
  • Récord de ANNIE en INSPIRE-HEP

Referencias

  1. ^ Colaboración Super-Kamiokande (5 de noviembre de 2008). "Primer estudio de marcado de neutrones con un detector Cherenkov de agua". Astroparticle Physics . 31 (4): 320–328. arXiv : 0811.0735 . Código Bibliográfico :2009APh....31..320S. doi :10.1016/j.astropartphys.2009.03.002. S2CID  12773599.
  2. ^ abc MiniBooNE Collaboration (4 de junio de 2008). "La predicción del flujo de neutrinos en MiniBooNE". Physical Review D . 79 (7): 072002. arXiv : 0806.1449 . Código Bibliográfico :2009PhRvD..79g2002A. doi :10.1103/PhysRevD.79.072002.
  3. ^ abc ANNIE Collaboration (7 de abril de 2015). "Carta de intención: Experimento de interacción neutrones-neutrinos atmosféricos (ANNIE)". arXiv : 1504.01480 [physics.ins-det].
  4. ^ "ANNIE | Experimento de interacción entre neutrones y aceleradores de neutrones".
  5. ^ Anghel, I. (9 de octubre de 2013). "Uso de fotosensores rápidos en detectores de neutrinos Cherenkov en agua". arXiv : 1310.2654 [physics.ins-det].
  6. ^ ab Dazeley, S. (2009). "Observación de neutrones con un detector Cerenkov de agua dopada con gadolinio". Instrumentos y métodos nucleares en la investigación en física Sección A: Aceleradores, espectrómetros, detectores y equipos asociados . 607 (3): 616–619. arXiv : 0808.0219 . Bibcode :2009NIMPA.607..616D. doi :10.1016/j.nima.2009.03.256. S2CID  119253268.
  7. ^ Dharmapalan, R. (2013). "Una nueva investigación de las oscilaciones de aparición de neutrinos electrónicos con una sensibilidad mejorada en el experimento MoniBooNE+". arXiv : 1310.0076 [hep-ex].
  8. ^ ab Ejiri, H. (9 de febrero de 1993). "Desexcitaciones nucleares de agujeros de nucleones asociados con desintegraciones de nucleones en núcleos". Physical Review C . 48 (3): 1442–1444. Bibcode :1993PhRvC..48.1442E. doi :10.1103/PhysRevC.48.1442. PMID  9968977.
  9. ^ Shiozawa, M. (2000). Estudio de detectores Cherenkov de agua de 1 megatón para el futuro de la búsqueda de la desintegración de protones . AIP conf. Proc. p. 533.
  10. ^ Super-Kamiokande Collaboration (6 de agosto de 2014). "Búsqueda de desintegración de protones mediante p->vK utilizando datos de 260 kilotones-año de super-Kamiokande". Physical Review D . 90 (7): 072005. arXiv : 1408.1195 . Bibcode :2014PhRvD..90g2005A. doi :10.1103/PhysRevD.90.072005. S2CID  18477457.
  11. ^ Meads, RE (1956). "La sección eficaz de captura de neutrones térmicos en agua". Proc. Phys. Soc. A . 69 (3): 469–479. Bibcode :1956PPSA...69..469M. doi :10.1088/0370-1298/69/6/306.
  12. ^ Zhang, Haibing; Super-Kamiokande Collaboration (2011). Etiquetado de neutrones y su aplicación física en Super Kamiokande-IV (PDF) . Beijing: 32.ª Conferencia Internacional de Rayos Cósmicos. Archivado desde el original (PDF) el 4 de marzo de 2016. Consultado el 30 de abril de 2015 .
  13. ^ Honda, M. (30 de marzo de 2002). "Flujo de neutrinos atmosféricos". Revisión anual de la ciencia nuclear y de partículas (manuscrito enviado). 52 (1): 153–199. arXiv : hep-ph/0203272 . Código Bibliográfico :2002ARNPS..52..153G. doi : 10.1146/annurev.nucl.52.050102.090645 .
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