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| Modelo estandar |
El Experimento de Interacción de Neutrinos de Neutrinos del Acelerador ( ANNIE ) es un experimento de detector de agua Cherenkov 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 los neutrinos en agua cargada con gadolinio y midiendo su producción de neutrones. El marcado 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 Booster Neutrino Beam 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 descomponen para producir un haz de neutrinos con una energía promedio de alrededor de 800 MeV. [2] ANNIE comenzará la instalación en el verano de 2015. [3]La fase I de ANNIE, mapeo del fondo de neutrones, se completó en 2017. El detector se está actualizando para una operación científica completa (la denominada 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 racimos en 1,6 microsegundos por derrame a un objetivo 100 metros aguas arriba en la sala SciBooNE. El haz, en modo neutrino, es un 94% de neutrinos muónicos puros con un pico de energía 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 revestido por un revestimiento de plástico y una carcasa de aluminio . El objetivo será instrumentado por 60 a 100 tubos fotomultiplicadores de ocho pulgadas . ANNIE podría utilizar 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). El MRD se modificará reemplazando 10 de las 13 capas de centelleador con cámaras de placas resistivas (RPC). Esta actualización permitirá una precisión centimétrica en cada capa. Además, los RCP son capaces de resistir un campo magnético de 1 T. Un campo aplicado de este tipo podría agregarse algún día a ANNIE para lograr la carga :reconstrucción de espín en el MRD. Esto también permitiría la reconstrucción del impulso en las energías más altas del evento.
Dada la escala de pocos metros del detector, sería posible lograr una reconstrucción de eventos basada en el tiempo utilizando información de la radiación de Cherenkov producida durante los eventos en el detector. Para lograr la resolución de tiempo de picosegundos necesaria, ANNIE tiene la intención de utilizar los primeros prototipos comerciales de fotodetectores de picosegundos de área grande (LAPPD). [3]
LAPPD
Los fotodetectores de picosegundos de área grande son fotodetectores MCP (8 pulg. X 8 pulg. X 0,6 pulg.) . Si bien 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 en consecuencia. 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 pistas y vértices del orden de unos pocos centímetros. [5] Estos detectores se encuentran en sus etapas finales de desarrollo.
Objetivos de física
El uso de un haz de neutrinos dirigido permite la reconstrucción de la energía del neutrino inicial y, por lo tanto, la transferencia de momento total durante la interacción. ANNIE examina las interacciones entre los neutrinos y los núcleos en el 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 es ayudada por las sales de gadolinio solvatadas que tienen secciones transversales de captura de neutrones altas y emiten alrededor de 8 MeV en radiación gamma tras la absorción de un neutrón termalizado. [6] Caracterización deEl rendimiento de neutrones en los eventos de fondo de desintegración de protones , que se encuentran predominantemente en las interacciones de neutrinos atmosféricos en grandes aguas. Los detectores Cherenkov como Super-Kamiokande ayudarían 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 verificar su validez en las interacciones de neutrinos. En el modo de neutrinos, el modo en el que el haz es predominantemente neutrinos, se espera que la multiplicidad de neutrones sea menor para las interacciones CC . Esto se puede utilizar para distinguir candidatos de oscilación de neutrinos de electrones de entornos como la producción de fotones o piones neutros. [7] Además, ANNIE buscará la aparición de neutrinos electrónicos en la línea del haz.
Decaimiento de protones
La desintegración de protones es una predicción de muchas teorías de gran unificación . ANNIE caracterizará el rendimiento de neutrones de eventos que generan firmas similares a las de la desintegración de protones en detectores de agua Cherenkov. Los dos canales de desintegración de protones que son de interés para ANNIE y más populares entre las GUT son: [3]
pag+
→ mi+ + π0
pag+
→ K+ + ν
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 las GUT supersimétricas donde los operadores de dimensión 5 inducen desintegraciones que requieren un quark extraño. Super-Kamiokande ha mostrado un límite mínimo por encima de los 10 34 años.
En el canal de piones neutros , habría tres pistas de lluvia, una del leptón cargado y dos de los productos de desintegración de piones neutros . Para confirmar 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 estar cerca de la del protón 800-1050 MeV y la masa desequilibrada el impulso debe ser inferior a 250 MeV. [8] En este canal, el 81% de los fondos están cargados de eventos actuales, el 47% son eventos con uno o más piones y el 28% son cuasi-elásticos [9]y en proporciones similares cuando el leptón cargado es un anti-muón. En el canal de kaon cargado, la evidencia del kaon se ve en sus productos de desintegración, que son predominantemente un neutrino anti-muón y un muón. El segundo canal de desintegración común del kaón produce un pión cargado y un pión neutro. La posterior desintegración 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 de neutrinos atmosféricos 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 ~ 6% del tiempo [8]
Etiquetado de neutrones
Los neutrones del estado final libre 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, se someten a una captura radiativa en la que se incorporan a un núcleo para producir un estado más unido. El exceso de energía se emite como una cascada gamma. En agua pura, la captura de neutrones produce aproximadamente 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 graneros., 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 a 3 gammas. [6]
La naturaleza de los procesos de producción de neutrones asociados en las interacciones de neutrinos es poco conocida, aunque se observa que tales interacciones a escalas de GeV producen fácilmente uno o más neutrones . Se espera que el número de neutrones en el estado final dependa de la transferencia de momento con interacciones de mayor energía que producen un mayor número de neutrones. Este fenómeno se ha documentado en grandes detectores de agua Cherenkov. [12] Estos eventos característicos de neutrinos constituyen una gran parte de PDKantecedentes. Si bien la presencia de neutrones se puede utilizar para eliminar eventos de fondo, la ausencia de neutrones puede mejorar significativamente la confianza en la observación de un evento 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 atmosférico. [2] [13]
Los antecedentes de neutrones en ANNIE surgen principalmente de las interacciones de los neutrinos con la roca circundante corriente arriba.
Línea de tiempo
Fase uno: desarrollo técnico y caracterización de antecedentes
- Inicio de la instalación Verano de 2015
- Run Otoño 2015 - Primavera 2016
ANNIE tendrá como objetivo caracterizar los fondos de neutrones. Las ejecuciones iniciales 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 móvil más pequeño de agua dopada con gadolinio para medir las tasas de eventos de neutrones en función de la posición dentro del tanque.
Fase dos: carrera de física de ANNIE I
- Instalación Verano 2016
ANNIE comenzará esta fase cuando se adquieran suficientes LAPPD. Esta fase implica el uso de un volumen de agua completo dopado con gadolinio , 60 PMT tipo S , un número pequeño pero suficiente de LAPPD y el MRD restaurado. La primera medición será del rendimiento de neutrones en función de la transferencia de impulso y la energía visible. Esta fase tiene como objetivo demostrar el DAQ completo, el funcionamiento satisfactorio de los LAPPD para el seguimiento, el funcionamiento satisfactorio del MRD para el seguimiento y las calibraciones de tiempo completas.
Fase tres: Física II de ANNIE
- Ejecutar el otoño de 2017 o una vez completada la fase II hasta el otoño de 2018
Esta etapa representa la realización completa del detector ANNIE. La cobertura de 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 del rendimiento de neutrones para las clases de eventos determinadas por las partículas del estado final . La Fase III estará diseñada para identificar los antecedentes de PDK basados en simulaciones y datos de la Fase I y II.
Enlaces externos
- "Página de inicio de ANNIE" . Consultado el 10 de octubre de 2016 .
Referencias
- ^ Colaboración Super-Kamiokande (5 de noviembre de 2008). "Primer estudio de marcado de neutrones con un detector de agua Cherenkov". Física de astropartículas . 31 (4): 320–328. arXiv : 0811.0735 . Código bibliográfico : 2009APh .... 31..320S . doi : 10.1016 / j.astropartphys.2009.03.002 .
- ^ a b c Colaboración MiniBooNE (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 .
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- ^ "ANNIE | Experimento de interacción acelerador neutrino neutrón" .
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- ↑ a b 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. Código Bibliográfico : 1993PhRvC..48.1442E . doi : 10.1103 / PhysRevC.48.1442 .
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