Un neutrino acelerador es un neutrino o antineutrino generado por humanos obtenido mediante aceleradores de partículas , en el que un haz de protones se acelera y choca con un objetivo fijo, produciendo mesones (principalmente piones ) que luego se desintegran en neutrinos . Dependiendo de la energía de los protones acelerados y de si los mesones se desintegran en vuelo o en reposo, es posible generar neutrinos de diferente sabor , energía y distribución angular. Los neutrinos aceleradores se utilizan para estudiar interacciones de neutrinos y oscilaciones de neutrinosaprovechando la alta intensidad de los haces de neutrinos, así como la posibilidad de controlar y comprender su tipo y propiedades cinemáticas en mucha mayor medida que para los neutrinos de otras fuentes .
Producción de haces de neutrinos muónicos
El proceso de producción del haz de muón neutrino o muón antineutrino consta de los siguientes pasos: [1] [2]
- Aceleración de un haz de protones primario en un acelerador de partículas .
- Colisión del haz de protones con un objetivo fijo. En tal colisión se producen partículas secundarias, principalmente piones y kaones .
- Enfocando, mediante un conjunto de cuernos magnéticos , las partículas secundarias con una carga seleccionada : positiva para producir el haz de neutrinos muón, negativa para producir el haz antineutrino muónico.
- Descomposición de las partículas secundarias en vuelo en un túnel de desintegración largo (del orden de cientos de metros). Los piones cargados se desintegran [3] en más del 99,98% en un muón y el neutrino correspondiente según el principio de conservación de la carga eléctrica y el número de leptones :
π+
→
μ+
+
ν
μ ,
π-
→
μ-
+
ν
μ
Por lo general, se pretende que tenga un haz puro, que contenga solo un tipo de neutrino:
ν
μ o
ν
μ. Por lo tanto, la longitud del túnel de desintegración se optimiza para maximizar el número de desintegraciones de piones y, al mismo tiempo, minimizar el número de desintegraciones de muones , [4] en el que se producen tipos indeseables de neutrinos:
μ+
→
mi+
+
ν
μ +
ν
mi ,
μ-
→
mi-
+
ν
μ +
ν
mi
En la mayoría de las desintegraciones de kaones [5] se produce el tipo apropiado de neutrinos (neutrinos muónicos para kaones positivos y antineutrinos muónicos para kaones negativos):
K+
→
μ+
+
ν
μ ,
K-
→
μ-
+
ν
μ , (63,56% de las caries),
K+
→
μ+
+
ν
μ +
π0
,
K-
→
μ-
+
ν
μ +
π0
, (3,35% de las caries),
sin embargo, se desintegra en (anti) neutrinos de electrones, también es una fracción significativa:
K+
→
mi+
+
ν
mi +
π0
,
K-
→
mi-
+
ν
mi +
π0
, (5,07% de desintegraciones).
- Absorción de los hadrones restantes y leptones cargados en un vertedero de rayos (generalmente un bloque de grafito ) y en el suelo. Al mismo tiempo, los neutrinos viajan sin obstáculos más lejos, cierran la dirección de sus partículas parentales.
Propiedades cinemáticas del haz de neutrinos
Los neutrinos no tienen carga eléctrica , por lo que no pueden enfocarse o acelerarse mediante campos eléctricos y magnéticos , por lo que no es posible crear un haz de neutrinos monoenergético paralelo, como se hace con los haces de partículas cargadas en los aceleradores. Hasta cierto punto, es posible controlar la dirección y la energía de los neutrinos seleccionando adecuadamente la energía del haz de protones primario y enfocando los piones y kaones secundarios, porque los neutrinos toman parte de su energía cinética y se mueven en una dirección cercana al padre. partículas.
Haz fuera del eje
Un método que permite estrechar aún más la distribución de energía de los neutrinos producidos es el uso del llamado haz fuera del eje. [6] El rayo de neutrinos del acelerador es un rayo ancho que no tiene límites claros, porque los neutrinos que contiene no se mueven en paralelo, sino que tienen una cierta distribución angular. Sin embargo, cuanto más lejos del eje (centro) del haz, menor es el número de neutrinos, pero también la distribución de energía cambia. El espectro de energía se vuelve más estrecho y su máximo se desplaza hacia energías más bajas. El ángulo fuera del eje, y por lo tanto el espectro de energía de neutrinos, se pueden optimizar para maximizar la probabilidad de oscilación de neutrinos o para seleccionar el rango de energía en el que predomina el tipo deseado de interacción de neutrinos.
El primer experimento en el que se utilizó el haz de neutrinos fuera del eje fue el experimento T2K [7]
Rayos de neutrinos en experimentos de física
A continuación se muestra la lista de haces de muones (anti) neutrinos utilizados en experimentos de física pasados o actuales:
- CERN Neutrinos a Gran Sasso (CNGS) haz [8] producido por Super Proton Synchrotron en CERN utilizado en experimentos OPERA e ICARUS .
- Booster Neutrino Beam (BNB) producido por el sincrotrón Booster en Fermilab utilizado en los experimentos SciBooNE , MiniBooNE y MicroBooNE .
- Neutrinos en el haz del inyector principal (NuMI) producido por el sincrotrón del inyector principal en Fermilab utilizado en los experimentos MINOS , MINERνA y NOνA .
- Haz de neutrinos K2K producido por un sincrotrón de protones de 12 GeV en KEK en Tsukuba utilizado en el experimento K2K .
- Haz de neutrinos T2K [7] producido por el sincrotrón de anillo principal en J-PARC en Tokai utilizado en el experimento T2K .
Notas
- ^ Colaboración T2K (2011). "El experimento T2K". Nucl.Instrum.Meth. Una . 659 (1): 106-135. arXiv : 1106.1238 . Código bibliográfico : 2011NIMPA.659..106A . doi : 10.1016 / j.nima.2011.06.067 .
- ^ KOPP, S (febrero de 2007). "Acelerador de rayos de neutrinos". Informes de física . 439 (3): 101-159. arXiv : física / 0609129 . Código Bibliográfico : 2007PhR ... 439..101K . doi : 10.1016 / j.physrep.2006.11.004 .
- ^ M. Tanabashi; et al. ( Grupo de datos de partículas ). "Revisión de 2019 de la física de partículas: mesones" (PDF) . Phys. Rev . D98 : 1. doi : 10.1103 / PhysRevD.98.030001 .
(2018) y actualización de 2019
- ^ M. Tanabashi; et al. ( Grupo de datos de partículas ). "Revisión de 2019 de física de partículas: leptones" (PDF) . Phys. Rev . D98 : 2. doi : 10.1103 / PhysRevD.98.030001 .
(2018) y actualización de 2019
- ^ M. Tanabashi; et al. ( Grupo de datos de partículas ). "Revisión de 2019 de la física de partículas: mesones" (PDF) . Phys. Rev . D98 : 24. doi : 10.1103 / PhysRevD.98.030001 .
(2018) y actualización de 2019
- ^ Kirk T McDonald (2001). "Un haz de neutrinos fuera del eje". arXiv : hep-ex / 0111033 . Código Bib : 2001hep.ex ... 11033M . Cite journal requiere
|journal=
( ayuda ) - ^ a b Colaboración T2K (2013). "Predicción del flujo de neutrinos T2K". Phys. Rev . D87 (1): 012001. arXiv : 1211.0469 . Código Bibliográfico : 2013PhRvD..87a2001A . doi : 10.1103 / PhysRevD.87.012001 .
- ^ Giacomelli, G (1 de junio de 2008). "El haz de neutrinos CNGS". Journal of Physics: Serie de conferencias . 116 (1): 012004. arXiv : física / 0703247 . Código bibliográfico : 2008JPhCS.116a2004G . doi : 10.1088 / 1742-6596 / 116/1/012004 .
Otras lecturas
- Doré, Ubaldo; Loverre, muelle; Ludovici, Lucio (2 de octubre de 2019). "Historia de los haces de neutrinos del acelerador". El European Physical Diario H . 44 (4-5): 271-305. arXiv : 1805.01373 . Código Bibliográfico : 2019EPJH ... 44..271D . doi : 10.1140 / epjh / e2019-90032-x .
enlaces externos
- Neutrinos aceleradores - Fermilab