Эксперимент по взаимодействию нейтронов с нейтрино ускорителя
| За пределами стандартной модели |
|---|
 |
| Стандартная модель |
Эксперимент по взаимодействию нейтрино с нейтронами на ускорителе ( ANNIE ) — это предлагаемый эксперимент с водным черенковским детектором, предназначенный для изучения природы взаимодействия нейтрино . Этот эксперимент будет изучать такие явления, как распад протона и нейтринные осцилляции , путем анализа нейтрино взаимодействий в воде, насыщенной гадолинием , и измерения выхода нейтронов. Нейтронная маркировка играет важную роль в отторжении фона от атмосферных нейтрино. [1] Благодаря реализации ранних прототипов LAPPD ( пикосекундного фотодетектора большой площади ) становится возможным достижение высокой точности синхронизации. Предлагаемое место для ЭННИ — зал SciBooNE на ускорительном нейтринном луче, связанном с экспериментом MiniBooNE . Пучок нейтрино создается в лаборатории Фермилаборатории, где ракета-носитель доставляет протоны с энергией 8 ГэВ к бериллиевой мишени, производя вторичные пионы и каоны . Эти вторичные мезоны распадаются с образованием пучка нейтрино со средней энергией около 800 МэВ. [2] ANNIE начнет установку летом 2015 года. [3] Фаза I ANNIE по картированию нейтронного фона завершилась в 2017 году. Детектор модернизируется для полноценной научной работы (так называемая Фаза II), которая, как ожидается, начнется в конце 2018 года. [4]
Экспериментальный дизайн
[ редактировать ]ANNIE будет работать с использованием ускорительного нейтринного пучка (BNB), работающего на частоте 7,5 Гц и примерно 4 x 10 12 протонов на мишени за один разлив. Они доставляются 81 пакетом за 1,6 микросекунды на каждый разлив к цели, находящейся в 100 метрах вверх по течению в зале SciBooNE. Луч в нейтринном режиме на 94% состоит из чистых мюонных нейтрино с пиковой энергией потока около 700 МэВ . [2]
Водная мишень, используемая ANNIE, представляет собой цилиндрический объем длиной 3,8 м и диаметром 2,3 м, заключенный в пластиковый лейнер и алюминиевый корпус. Мишень будет оснащена от 60 до 100 восьмидюймовыми фотоумножителями . Энни может использовать часть сэндвич-детектора железо -сцинтиллятор, используемого для отслеживания направления дочерних мюонов в мишени SCiBooNE, называемого детектором диапазона мюонов (MRD). MRD будет модифицирован путем замены 10 из 13 слоев сцинтиллятора камерами с резистивными пластинами (RPC). Это обновление обеспечит точность на уровне сантиметра на каждом слое. Кроме того, RCP способны выдерживать магнитное поле силой 1 Тл. Когда-нибудь такое прикладное поле может быть добавлено к ANNIE, чтобы добиться восстановления заряда и спина в MRD. Это также позволило бы восстановить импульс при самых высоких энергиях событий.
Учитывая размер детектора в несколько метров, можно было бы добиться временной реконструкции событий, используя информацию о черенковском излучении, возникающем во время событий в детекторе. Чтобы достичь необходимого пикосекундного временного разрешения, ANNIE намерена использовать первые коммерческие прототипы пикосекундных фотодетекторов большой площади (LAPPD). [3]
ЛАППД
[ редактировать ](8 x 8 x 0,6 дюйма) Пикосекундные фотодетекторы большой площади представляют собой фотодетекторы MCP . В то время как обычные ФЭУ представляют собой однопиксельные детекторы, LAPPD способны определять положение и время одиночных фотонов в пределах одного детектора с временным и пространственным разрешением выше 3 мм и 100 пикосекунд соответственно. Первоначальные симуляции Монте-Карло показывают, что использование LAPPD такой точности позволит ANNIE работать в качестве детектора слежения с разрешением реконструкции треков и вершин порядка нескольких сантиметров. [5] Эти детекторы находятся на завершающей стадии разработки.
Цели по физике
[ редактировать ]
Использование направленного пучка нейтрино позволяет восстановить начальную энергию нейтрино и, следовательно, полный переданный импульс во время взаимодействия. Энни исследует взаимодействия между нейтрино и ядрами в воде с целью измерения содержания нейтронов в конечном состоянии в зависимости от полного переданного импульса . Захвату нейтронов способствуют сольватированные соли гадолиния , которые имеют высокие нейтронов сечения захвата и испускают гамма-излучение с энергией около 8 МэВ при поглощении термализованного нейтрона. [6] Характеристика выхода нейтронов в фоновых событиях распада протона, которые преимущественно встречаются при взаимодействиях атмосферных нейтрино в больших водных черенковских детекторах, таких как Супер-Камиоканде , поможет повысить уверенность в наблюдении событий, подобных распаду протона. Изучая выход нейтронов, события, захваченные в контрольном объеме, можно разделить на различные с заряженным током ( CC ) и нейтральным током ( NC типы событий ).
Возможность отмечать нейтроны в конечном состоянии также позволит ANNIE проверить достоверность конкретных ядерных моделей при взаимодействии нейтрино. В нейтринном режиме, режиме, в котором пучок состоит преимущественно из нейтрино, ожидается, что множественность нейтронов будет ниже для CC взаимодействий . Это можно использовать для того, чтобы отличить кандидатов электронных нейтринных осцилляций от фона, такого как рождение нейтральных пионов или фотонов. [7] Кроме того, «ЭННИ» будет искать появление электронных нейтрино в линии луча.
Распад протона
[ редактировать ]Распад протона является предсказанием многих теорий великого объединения . ANNIE будет характеризовать нейтронный выход событий, которые генерируют сигнатуры, аналогичные сигнатурам распада протона в водных черенковских детекторах. Два канала распада протона, которые интересуют Энни и наиболее популярны среди GUT : [3]
Первый является предпочтительным каналом распада в минимальных моделях GUT SU(5) и SO(10), тогда как второй типичен для суперсимметричных GUT, где операторы размерности 5 вызывают распады, требующие странного кварка. Супер-Камиоканде показал минимальный лимит выше 10. 34 годы.
В нейтральном пионном канале было бы три ливневых трека: один от заряженного лептона и два от продуктов распада нейтрального пиона. Для подтверждения PDK два трека должны давать инвариантную массу, близкую к массе нейтрального пиона, 85–185 МэВ, общая инвариантная масса, задаваемая треками, должна быть близка к массе протона 800–1050 МэВ, а несбалансированная масса импульс должен быть меньше 250 МэВ. [8] В этом канале 81% фонов заряжены текущими событиями, 47% — событиями с одним или несколькими пионами, а 28% — квазиупругими. [9] и в аналогичных соотношениях, когда заряженный лептон является антимюоном. В канале заряженных каонов свидетельства существования каона видны в продуктах его распада, которыми преимущественно являются антимюон и мюонное нейтрино. Второй общий канал распада каона производит заряженный пион и нейтральный пион. Последующий распад заряженного пиона приводит к образованию мюона, который находится в пределах порога обнаружения водными черенковскими детекторами. Таким образом, оба этих канала также подвержены CC . фону атмосферных нейтрино [10]
Фоновые события распада протона преимущественно производят один или несколько нейтронов, тогда как ожидается, что распады протонов будут производить нейтрон только в ~ 6% случаев. [8]
Нейтронная маркировка
[ редактировать ]Свободные нейтроны конечного состояния улавливаются в воде детектора, легированной гадолинием. Даже нейтроны с энергией в сотни МэВ быстро теряют энергию при столкновениях в воде. После того как эти нейтроны термализованы, они подвергаются радиационному захвату , при котором они включаются в ядро, образуя более прочно связанное состояние. Избыточная энергия выделяется в виде гамма-каскада. В чистой воде захват нейтронов производит гамма-излучение с энергией около 2,2 МэВ. [11] Чтобы улучшить видимость событий захвата нейтронов, соли гадолиния растворяются в водной среде ANNIE. Гадолиний имеет большее сечение захвата , около 49 000 барнов , и это происходит через несколько микросекунд после испускания свободного нейтрона. Кроме того, событие захвата в гадолинии создает 8 МэВ . каскад 2–3 гамма-излучений с энергией [6]
Природа процессов образования нейтронов, связанных с взаимодействиями нейтрино, плохо изучена, хотя замечено, что такие взаимодействия в масштабах ГэВ легко производят один или несколько нейтронов. Ожидается, что количество нейтронов в конечном состоянии будет зависеть от передачи импульса с взаимодействиями с более высокой энергией, производящими большее количество нейтронов. Это явление было зарегистрировано в больших черенковских детекторах воды. [12] Эти характерные нейтринные события составляют большую часть фона PDK . Хотя присутствие нейтронов можно использовать для устранения фоновых событий, отсутствие каких-либо нейтронов может значительно повысить уверенность в наблюдении события PDK . Энни попытается охарактеризовать точную уверенность в отклонении фоновых событий на основе экспериментов по мечению нейтронов, оптимизированных для применения взаимодействий атмосферных нейтрино. Такая экстраполяция возможна благодаря сходству профиля потока бустерного нейтринного пучка и потока атмосферных нейтрино. [2] [13]
Нейтронный фон в ANNIE возникает в основном в результате взаимодействия нейтрино с окружающей горной породой вверх по течению.
Временная шкала
[ редактировать ]Этап первый: техническая разработка и характеристика исходных данных.
[ редактировать ]- Начало установки летом 2015 г.
- Забег осень 2015 – весна 2016 г.
Энни будет стремиться охарактеризовать нейтронный фон. Первоначальные запуски будут проводиться с 60 ФЭУ Type-S , а не с LAPPD, пока они не станут доступными. Это время будет использовано для тестирования прототипов LAPPD. Кроме того, подвижный меньший объем воды, легированной гадолинием, будет использоваться для измерения скорости нейтронных событий в зависимости от положения внутри резервуара.
Фаза вторая: физика «ЭННИ», I
[ редактировать ]- Монтаж Лето 2016 г.
ANNIE начнет этот этап, когда будет получено достаточное количество LAPPD. Этот этап включает использование полного объема воды, легированной гадолинием, 60 ФЭУ типа S , небольшого, но достаточного количества LAPPD и отремонтированного MRD. Первым измерением будет выход нейтронов как функция передачи импульса и видимой энергии. Целью этого этапа является демонстрация полного сбора данных, успешной работы LAPPD для отслеживания, успешной работы MRD для отслеживания и полной калибровки времени.
Фаза третья: физика «ЭННИ», II.
[ редактировать ]- Запустите осенью 2017 г. или после завершения этапа II до осени 2018 г.
Этот этап представляет собой полную реализацию детектора ANNIE. Покрытие LAPPD будет составлять более 10% изотропно , что соответствует 50-100 LAPPD. На этом этапе станет возможной детальная реконструкция кинематики и, следовательно, измерения выхода нейтронов для классов событий, определяемых частицами в конечном состоянии . Этап III будет предназначен для выявления фоновых данных PDK на основе моделирования и данных этапов I и II.
Внешние ссылки
[ редактировать ]- «Домашняя страница АННИ» . Проверено 10 октября 2016 г.
- Запись ANNIE на INSPIRE-HEP
Ссылки
[ редактировать ]- ^ Сотрудничество Супер-Камиоканде (5 ноября 2008 г.). «Первое исследование нейтронного мечения с помощью водного черенковского детектора». Астрофизика частиц . 31 (4): 320–328. arXiv : 0811.0735 . Бибкод : 2009APh....31..320S . doi : 10.1016/j.astropartphys.2009.03.002 . S2CID 12773599 .
- ^ Перейти обратно: а б с Сотрудничество MiniBooNE (4 июня 2008 г.). «Прогноз нейтринного потока в MiniBooNE». Физический обзор D . 79 (7): 072002. arXiv : 0806.1449 . Бибкод : 2009PhRvD..79g2002A . doi : 10.1103/PhysRevD.79.072002 .
- ^ Перейти обратно: а б с Коллаборация ANNIE (7 апреля 2015 г.). «Письмо о намерениях: Эксперимент по взаимодействию атмосферных нейтрино и нейтронов (ANNIE)». arXiv : 1504.01480 [ physical.ins-det ].
- ^ «ЭННИ | Эксперимент по взаимодействию нейтрино и нейтронов на ускорителе» .
- ^ Ангел, И. (9 октября 2013 г.). «Использование быстрых фотосенсоров в водных черенковских детекторах нейтрино». arXiv : 1310.2654 [ physical.ins-det ].
- ^ Перейти обратно: а б Дэйзли, С. (2009). «Наблюдение нейтронов с помощью черенковского детектора воды, легированной гадолинием». Ядерные приборы и методы в физических исследованиях. Раздел А: Ускорители, спектрометры, детекторы и сопутствующее оборудование . 607 (3): 616–619. arXiv : 0808.0219 . Бибкод : 2009NIMPA.607..616D . дои : 10.1016/j.nima.2009.03.256 . S2CID 119253268 .
- ^ Дхармапалан, Р. (2013). «Новое исследование осцилляций появления электронных нейтрино с повышенной чувствительностью в эксперименте MoniBooNE+». arXiv : 1310.0076 [ hep-ex ].
- ^ Перейти обратно: а б Эджири, Х. (9 февраля 1993 г.). «Ядерные девозбуждения нуклонных дырок, связанные с распадами нуклонов в ядрах». Физический обзор C . 48 (3): 1442–1444. Бибкод : 1993PhRvC..48.1442E . дои : 10.1103/PhysRevC.48.1442 . ПМИД 9968977 .
- ^ Сиодзава, М. (2000). Исследование 1-мегатонных водных черенковских детекторов для будущего поиска распада протонов . Конф. AIP. Учеб. п. 533.
- ^ Сотрудничество Супер-Камиоканде (6 августа 2014 г.). «Поиск распада протона через p->vK с использованием данных супер-Камиоканде за 260 килотонн лет». Физический обзор D . 90 (7): 072005. arXiv : 1408.1195 . Бибкод : 2014ФРвД..90г2005А . doi : 10.1103/PhysRevD.90.072005 . S2CID 18477457 .
- ^ Мидс, RE (1956). «Сечение захвата тепловых нейтронов в воде». Учеб. Физ. Соц. А. 69 (3): 469–479. Бибкод : 1956PPSA...69..469M . дои : 10.1088/0370-1298/69/6/306 .
- ^ Чжан, Хайбин; Сотрудничество Супер-Камиоканде (2011). Нейтронная маркировка и ее физическое применение в Super Kamiokande-IV (PDF) . Пекин: 32-я Международная конференция по космическим лучам. Архивировано из оригинала (PDF) 4 марта 2016 г. Проверено 30 апреля 2015 г.
- ^ Хонда, М. (30 марта 2002 г.). «Поток атмосферных нейтрино» . Ежегодный обзор ядерной науки и науки о элементарных частицах (представленная рукопись). 52 (1): 153–199. arXiv : hep-ph/0203272 . Бибкод : 2002ARNPS..52..153G . дои : 10.1146/annurev.nucl.52.050102.090645 .