Эксперимент по взаимодействию нейтрино с ускорителем и нейтроном - Accelerator Neutrino Neutron Interaction Experiment

За пределами стандартной модели
CMS Higgs-event.jpg
Смоделированный Большой адронный коллайдер CMS данные детектора частиц, изображающие бозон Хиггса образуются при столкновении протонов, распадающихся на адронные струи и электроны
Стандартная модель
Эксперименты
Логотип эксперимента по взаимодействию нейтрино с нейтронами на ускорителе

В Эксперимент по взаимодействию нейтрино с ускорителем и нейтроном, сокращенно ЭННИ, это предлагаемая вода Черенковский детектор эксперимент, предназначенный для изучения природы нейтрино взаимодействия. Этот эксперимент будет изучать такие явления, как распад протона, и осцилляции нейтрино, анализируя нейтрино взаимодействия в гадолиний загруженной водой и измерения выхода нейтронов. Мечение нейтронов играет важную роль в отторжении фона от атмосферных нейтрино.[1] Реализуя ранние прототипы LAPPD (Пикосекундный фотодетектор большой площади), возможна высокоточная синхронизация. Предлагаемое место для ЭННИ - это SciBooNE зал на Бустерный нейтринный луч связанный с MiniBooNE эксперимент. Пучок нейтрино берет начало в Фермилабе, где Бустер доставляет протоны 8 ГэВ к бериллий целевой производящий вторичный пионы и каоны. Эти вторичные мезоны распад, чтобы произвести пучок нейтрино со средней энергией около 800 МэВ.[2] ANNIE начнет установку летом 2015 года.[3] Фаза I ANNIE по картированию нейтронного фона завершена в 2017 году. Детектор модернизируется для полноценной научной работы (так называемая фаза II), которая, как ожидается, начнется в конце 2018 года.[4]

Экспериментальная конструкция

ANNIE будет запускаться с использованием Бустер Нейтрино Луч (BNB), который работает с частотой 7,5 Гц, примерно 4 x 1012 протонов на цель на разлив. Они доставляются 81 пучком за 1,6 микросекунды на разлив до 100 мишеней. метры вверх по течению в зале SciBooNE. Пучок в режиме нейтрино на 94% состоит из 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 пластмассовую оболочку и алюминий корпус. Мишень должна быть оснащена от 60 до 100 восьмидюймовых фотоумножители. Часть утюг -сцинтилляторный сэндвич-детектор, используемый для отслеживания направления дочерних мюонов в мишени SCiBooNE, называемый мюонным дальномером (MRD), может быть использован ANNIE. MRD будет изменен путем замены 10 из 13 слоев сцинтиллятора камерами с резистивными пластинами (RPC). Это обновление обеспечит точность на уровне сантиметра на каждом слое. Более того, RCP способны выдерживать магнитное поле 1 Тл. Такое прикладное поле может когда-нибудь быть добавлено к ANNIE для достижения обвинять -вращение реконструкция в MRD. Это также позволило бы импульс реконструкция при самых высоких энергиях события.

Учитывая размер детектора в несколько метров, было бы возможно добиться восстановления событий на основе времени, используя информацию от черенковского излучения, возникающего во время событий в детекторе. Для достижения необходимого пикосекундного разрешения по времени ANNIE намеревается использовать первые коммерческие прототипы пикосекундных фотодетекторов большой площади (LAPPD).[3]

LAPPD

Пикосекундные фотодетекторы большой площади (8 дюймов x 8 дюймов x 0,6 дюйма) MCP фотоприемники. В то время как обычные ФЭУ представляют собой однопиксельные детекторы, LAPPD могут определять положение и время одиночных фотонов в пределах одного детектора с временным и пространственным разрешением выше 3 мм и 100 пикосекунды соответственно. Исходный Моделирование Монте-Карло показать, что использование LAPPD такой точности позволит ANNIE работать как детектор слежения с разрешением реконструкции треков и вершин порядка нескольких сантиметров.[5] Эти детекторы находятся на завершающей стадии разработки.

Физические цели

Диаграмма, показывающая 3 нейтрино и взаимодействующие частицы, согласно Стандартная модель элементарных частиц.

Использование направленного нейтрино балка позволяет реконструировать исходную нейтрино энергия и, следовательно, общая передача импульса во время взаимодействия. Энни изучает взаимодействие между нейтрино и ядер в воде с целью измерения конечного состояния нейтрон численность как функция от общего передача импульса. Захват нейтронов помогает сольватированный гадолиний соли с высоким нейтрон захватывать поперечные сечения и излучать около 8 МэВ в гамма-излучение при поглощении термализованного нейтрона.[6] Характеристика нейтрон уступить в распад протона фоновые события, которые преимущественно встречаются при взаимодействии 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, могут быть разделены между различными заряженными токами (CC) и нейтральный ток (NC) типы событий.

Возможность помечать нейтроны в конечном состоянии также позволит ANNIE проверять конкретные ядерные модели на достоверность во взаимодействиях нейтрино. В нейтринном режиме, в котором пучок состоит преимущественно из нейтрино, множественность нейтронов должна быть ниже для CC взаимодействия. Это можно использовать для различения электронных осцилляция нейтрино кандидаты из фонов, таких как производство нейтральных пионов или фотонов.[7] Кроме того, ANNIE будет следить за появлением электронных нейтрино в канале луча.

Распад протона

Основная статья: Распад протона

Распад протона это предсказание многих теории великого объединения. ANNIE будет характеризовать нейтронный выход событий, которые генерируют сигнатуры, аналогичные сигнатурам распада протона в черенковских детекторах воды. Два канала распада протона, которые представляют интерес для ANNIE и наиболее популярны среди Кишки находятся:[3]


п+
  		→  
е+
  		+  
π0

п+
  		→  
K+
  		+  
ν

Первый является предпочтительным каналом распада в минимальных SU (5) и SO (10) GUT, а второй типичен для суперсимметричный GUT, в которых операторы размерности 5 вызывают распады, требующие странного кварка. Супер-Камиоканде показал минимальный предел выше 1034 годы.

В нейтральном пион канала, будет три дорожки ливня, одна от заряженной лептон и два из нейтральных пион продукты распада. Чтобы подтвердить PDK, две дорожки должны давать инвариантная масса близка к массе нейтрального пиона, 85-185 МэВ, полная инвариантная масса, определяемая треками, должна быть близка к массе протона 800-1050 МэВ и несбалансированной импульс должно быть меньше 250 МэВ.[8] В этом канале 81% фонов - это заряженные текущие события, 47% - события с одним или несколькими пионами, а 28% - квазиупругие.[9] и в аналогичных соотношениях, когда заряженный лептон является антимюоном. В канале Charged kaon свидетельство Каон проявляется в продуктах его распада, которые представляют собой преимущественно антимюонное и мюонное нейтрино. Второй общий канал распада каона дает заряженный пион и нейтральный пион. Последующий распад заряженного пиона дает мюон, который находится в пределах обнаруживаемого порога для водяных черенковских детекторов. Таким образом, оба эти канала также подвержены CC атмосферный нейтринный фон.[10]

Фоновые события распада протона в основном производят один или несколько нейтронов, тогда как ожидается, что распады протонов будут производить нейтрон только в ~ 6% случаев. [8]

Мечение нейтронов

Бесплатное конечное состояние нейтроны улавливаются в воде детектора, легированной гадолинием. Четное нейтроны с энергиями в сотни МэВ быстро теряют энергию из-за столкновений в воде. Как только эти нейтроны термализованы, они претерпевают радиационный захват где они включены в ядро ​​для создания более прочно связанного состояния. Избыточная энергия испускается в виде гамма-каскада. В чистой воде захват нейтронов дает около 2,2 МэВ в гамма-излучении.[11] Чтобы улучшить видимость захват нейтронов В случае событий соли гадолиния растворяются в водной среде ANNIE. Гадолиний улавливает больше поперечное сечение, около 49 000 сараи, и это происходит через несколько микросекунд после испускания свободного нейтрона. Кроме того, событие захвата в гадолинии дает 8 МэВ каскад из 2-3 гамм.[6]

Природа нейтрон производящие процессы, связанные с нейтрино взаимодействия плохо изучены, хотя наблюдается, что такие взаимодействия на ГэВ весы легко производят один или несколько нейтроны. Ожидается, что количество нейтронов в конечном состоянии будет зависеть от передача импульса с более высокими энергетическими взаимодействиями, производящими большее количество нейтронов. Это явление было зарегистрировано в больших водяных черенковских детекторах.[12] Эти характерные нейтринные события составляют большую часть PDK фон. Хотя присутствие нейтронов можно использовать для устранения фоновых событий, отсутствие каких-либо нейтронов может значительно повысить уверенность в наблюдении PDK мероприятие. ANNIE попытается охарактеризовать точную уверенность в отклонении фоновых событий на основе экспериментов по метке нейтронов, оптимизированных для применения взаимодействий атмосферных нейтрино. Такая экстраполяция возможна из-за схожести поток профиль пучка нейтрино Бустера и атмосферный поток нейтрино.[2][13]

Бэкграунды нейтронов в ANNIE возникают в основном из-за взаимодействий нейтрино с окружающими породами выше по течению.

График

Фаза первая: техническая разработка и определение исходных характеристик

  • Начало установки летом 2015 г.
  • Беги осень 2015 - весна 2016

ANNIE будет стремиться охарактеризовать нейтронный фон. Первоначальные запуски будут выполнены с 60 Type-S. ГУП а не LAPPD, пока они не станут доступны. Это время будет использовано для тестирования прототипов LAPPD. Кроме того, подвижный, меньший объем гадолиний легированная вода будет использоваться для измерения скорости нейтронных событий в зависимости от положения внутри резервуара.

Фаза вторая: ЭННИ, физика, бег I

  • Установка Лето 2016

Энни начнет этот этап, когда будет приобретено достаточно LAPPD. Эта фаза предполагает использование полной гадолиний объем легированной воды, 60 Тип-С ГУП, небольшое, но достаточное количество LAPPD и отремонтированный MRD. Первым измерением будет нейтронный выход как функция передача импульса и видимая энергия. Этот этап направлен на демонстрацию полного сбора данных, успешной работы LAPPD для отслеживания, успешной работы MRD для отслеживания и завершения калибровки времени.

Фаза третья: ЭННИ, физический заезд II

  • Выполнить осенью 2017 г. или по завершении фазы II до осени 2018 г.

Этот этап представляет собой полную реализацию детектора ANNIE. Покрытие LAPPD будет более 10% изотропно что соответствует 50-100 LAPPD. На этом этапе будет возможна детальная реконструкция кинематики и, следовательно, измерения нейтронного выхода для классов событий, определяемых конечным состоянием. частицы. Фаза III будет предназначена для выявления PDK- фоны на основе моделирования и данных из фаз I и II.

внешняя ссылка

  • "Домашняя страница ЭННИ". Получено 10 октября 2016.

Рекомендации

  1. ^ Сотрудничество Супер-Камиоканде (5 ноября 2008 г.). «Первое исследование метки нейтронов с помощью водяного черенковского детектора». Физика астрономических частиц. 31 (4): 320–328. arXiv:0811.0735. Bibcode:2009APh .... 31..320S. Дои:10.1016 / j.astropartphys.2009.03.002.
  2. ^ а б c MiniBooNE Collaboration (4 июня 2008 г.). «Прогнозирование потока нейтрино на MiniBooNE». Физический обзор D. 79 (7): 072002. arXiv:0806.1449. Bibcode:2009ПхРвД..79г2002А. Дои:10.1103 / PhysRevD.79.072002.
  3. ^ а б c ANNIE Collaboration (7 апреля 2015 г.). "Письмо о намерениях: эксперимент по взаимодействию нейтрино и нейтронов в атмосфере (ANNIE)". arXiv:1504.01480 [Physics.ins-det ].
  4. ^ "ЭННИ ​​| Эксперимент по взаимодействию нейтрино с ускорителем и нейтроном".
  5. ^ Ангел, И. (9 октября 2013 г.). "Использование быстрых фотодатчиков в черенковских детекторах нейтрино на воде". arXiv:1310.2654 [Physics.ins-det ].
  6. ^ а б Дазли, С. (2009). "Наблюдение нейтронов черенковским детектором на воде, легированной гадолинием". Ядерные инструменты и методы в физических исследованиях Секция A: ускорители, спектрометры, детекторы и связанное с ними оборудование. 607 (3): 616–619. arXiv:0808.0219. Bibcode:2009NIMPA.607..616D. Дои:10.1016 / j.nima.2009.03.256.
  7. ^ Дхармапалан, Р. (2013). «Новое исследование осцилляций появления электронных нейтрино с улучшенной чувствительностью в эксперименте MoniBooNE +». arXiv:1310.0076 [hep-ex ].
  8. ^ а б Эджири, Х. (9 февраля 1993 г.). «Ядерное девозбуждение нуклонных дырок, связанное с распадами нуклонов в ядрах». Физический обзор C. 48 (3): 1442–1444. Bibcode:1993PhRvC..48.1442E. Дои:10.1103 / PhysRevC.48.1442.
  9. ^ Сиодзава, М. (2000). Исследование черенковских детекторов на 1 мегатонну воды для будущего поиска распада протона. AIP conf. Proc. п. 533.
  10. ^ Сотрудничество Супер-Камиоканде (6 августа 2014 г.). «Найдите распад протона через p-> vK, используя данные супер-Камиоканде за 260 килотонн в год». Физический обзор D. 90 (7): 072005. arXiv:1408.1195. Bibcode:2014ПхРвД..90г2005А. Дои:10.1103 / PhysRevD.90.072005.
  11. ^ Мидс, Р. Э. (1956). «Сечение захвата тепловых нейтронов в воде». Proc. Phys. Soc. А. 69 (3): 469–479. Bibcode:1956ППСА ... 69..469М. Дои:10.1088/0370-1298/69/6/306.
  12. ^ Чжан, Хайбин; Сотрудничество Супер-Камиоканде (2011). Нейтронная маркировка и ее применение в физике в Super Kamiokande-IV (PDF). Пекин: 32-я Международная конференция по космическим лучам. Архивировано из оригинал (PDF) на 2016-03-04. Получено 2015-04-30.
  13. ^ Хонда, М. (30 марта 2002 г.). «Поток атмосферных нейтрино». Ежегодный обзор ядерной науки и науки о частицах (Представлена ​​рукопись). 52 (1): 153–199. arXiv:hep-ph / 0203272. Bibcode:2002ARNPS..52..153G. Дои:10.1146 / annurev.nucl.52.050102.090645.