가속기 중성자 상호작용 실험

Accelerator Neutrino Neutron Interaction Experiment
표준 모델을 넘어서는
CMS Higgs-event.jpg
양성자가 강입자 제트 및 전자로 충돌하여 생성되는 힉스 입자를 나타내는 대형 강입자 충돌기 CMS 입자 검출기 데이터 시뮬레이션
표준 모델
증거
이론들
초대칭성
양자 중력
실험
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가속기 중성자 상호작용 실험(ANNIE)은 중성미자 상호작용의 특성을 조사하기 위해 설계된 제안된 물 체렌코프 검출기 실험이다.이 실험은 가돌리늄을 탑재한 물에서 중성미자 상호작용을 분석하고 중성자 수율을 측정함으로써 양성자 붕괴와 중성미자 진동과 같은 현상을 연구할 것이다.중성자 [1]태깅은 대기 중 중성미자의 백그라운드 제거에 중요한 역할을 한다.광역피코초광검출기(LPPD) 초기 시제품을 구현해 고정밀 타이밍이 가능하다.애니가 추천하는 장소는 MiniBoo와 관련된 부스터 중성미자 빔의 SciBooNE 홀입니다.NE 실험.중성미자 빔은 페르미랍에서 발원하며, 부스터는 2차 파이온과 카온을 생성하는 베릴륨 표적에게 8 GeV 양성자를 전달합니다.이러한 2차 중간자는 붕괴되어 평균 [2]약 800 MeV의 에너지를 가진 중성미자 빔을 생성합니다.[3]ANNI는 2015년 여름에 설치를 시작할 예정입니다.중성자 배경을 매핑하는 애니의 1단계는 2017년에 완료되었다.검출기는 2018년 [4]말에 시작될 것으로 예상되는 완전한 과학 작업(일명 2단계)을 위해 업그레이드되고 있다.

실험 설계

애니는 7.5Hz로 작동하는 BNB(Booster Neutrino Beam)를 사용하여 실행됩니다.이 빔은 1회 유출 시 약 4x1012 양성자를 대상으로 합니다.이것들은 SciBooNE 홀의 100미터 상류 표적에 유출당 1.6마이크로초 이상 81개의 묶음으로 전달된다.중성미자 모드의 빔은 약 700MeV의 플럭스 피크 에너지를 가진 94%[2] 순수 뮤온 중성미자입니다.

애니가 사용하는 물 표적은 플라스틱 라이너와 알루미늄 인클로저로 둘러싸인 길이 3.8m, 직경 2.3m의 원통형 부피입니다.대상은 60 - 100개의 8인치 광전자 증배관으로 계측한다.MRD(Muon Range Detector)라고 불리는 SCiBooNE 표적의 딸 뮤온의 방향을 추적하는 데 사용되는 철-시크틸레이터 샌드위치 검출기의 일부는 ANI에 의해 사용될 수 있다.MRD는 섬광기 13개 층 중 10개를 저항성 플레이트 챔버(RPC)로 교체하여 수정한다.이 업그레이드를 통해 각 레이어에서 센티미터 수준의 정밀도를 확보할 수 있습니다.또한 RCP는 1T의 자기장에 견딜 수 있다.이러한 응용 필드는 언젠가 MRD에서 전하 스핀 재구성을 달성하기 위해 애니에 추가될 수 있습니다.이는 또한 가장 높은 이벤트 에너지에서 운동량을 재구성할 수 있게 한다.

검출기의 몇 미터 스케일이 주어지면 검출기에서 사건 발생 중 생성된 체렌코프 방사선의 정보를 사용하여 사건의 타이밍 기반 재구성을 달성할 수 있을 것이다.필요한 피코초 시간 분해능을 달성하기 위해 애니는 LAPPD([3]대면적 피코초 광검출기)의 초기 상용 프로토타입을 사용할 예정입니다.

LAPPD

광역 피코초 광검출기는 (8인치 x 8인치 x 0.6인치) MCP 광검출기입니다.일반적인 PMT는 단일 픽셀 검출기이지만, LAPPD는 3mm 이상의 시간과 공간 분해능과 그에 따른 100피코초 이상의 단일 검출기 내에서 단일 광자의 위치와 시간을 분해할 수 있다.초기 몬테카를로 시뮬레이션에 따르면 이러한 정확도의 LAPPD를 사용하면 ANNI가 몇 센티미터의 [5]선로 및 정점 재구성 분해능을 가진 추적 검출기로 작동할 수 있다.이 검출기들은 개발의 마지막 단계에 있다.

물리 목표

소립자 표준모형에 따른 중성미자 3개와 상호작용 입자를 나타낸 차트

지향성 중성미자 빔을 사용하면 초기 중성미자 에너지를 재구성할 수 있으므로 상호작용 중에 총 운동량 전달이 가능합니다.애니는 총 운동량 전달의 함수로서 최종 상태 중성자 풍요도 측정을 생성하기 위해 물 속의 중성미자와 핵 사이의 상호작용을 조사한다.중성자 포획은 중성자 포획 단면이 높고 열화 [6]중성자 흡수 시 감마선에서 약 8MeV를 방출하는 용해 가돌리늄 염의 도움을 받는다.Super-Kamiokande와 같은 대형 물 체렌코프 검출기의 대기 중성미자 상호작용에서 주로 발생하는 양성자 붕괴 배경 사건에서의 중성자 수율 특성화는 양성자 감소 사건 관측에 대한 신뢰도를 높이는 데 도움이 될 것이다.중성자 수율을 연구함으로써 기준 부피에서 포착된 이벤트는 다양한 충전 전류(CC) 및 중성 전류(NC) 이벤트 유형으로 분리할 수 있다.

최종 상태에서 중성자를 태그하는 능력은 또한 애니가 중성미자 상호작용의 유효성을 위해 특정 핵 모델을 시험할 수 있게 한다.빔이 주로 중성미자인 중성미자 모드에서는 CC 상호작용에 대해 중성자 다중도가 낮을 것으로 예상된다.이것은 중성 파이온이나 광자 [7]생산과 같은 배경으로부터 전자 중성미자 발진 후보를 구별하는 데 사용될 수 있다.또한, 애니는 빔 라인에서 전자 중성미자의 출현을 찾습니다.

양성자 붕괴

주요 기사: 양성자 붕괴

양성자 붕괴는 많은 대통합 이론의 예측이다.애니는 물 체렌코프 검출기에서 양성자 붕괴와 유사한 신호를 생성하는 이벤트의 중성자 수율을 특성화한다.ANNI가 관심을 가지고 GUT 사이에서 가장 인기 있는 양성자 붕괴의 두 가지 채널은 다음과 같습니다.[3]


p+
. 		→
이+
 		+
π0

p+
. 		→
K+
. 		+
ν

전자는 최소 SU(5) 및 SO(10) GUT 모델에서 선호되는 붕괴 채널이며, 두 번째는 치수 5 연산자가 이상한 쿼크를 필요로 하는 붕괴를 유도하는 초대칭 GUT의 전형이다.슈퍼 가미오칸데는 10년 이상의34 최저 한도를 보이고 있다.

중성 파이온 채널에는 세 개의 샤워 트랙이 있습니다. 하나는 충전된 렙톤에서, 그리고 두 개는 중성 파이온 붕괴 생성물에서 나옵니다.PDK를 확인하기 위해, 트랙 중 두 개는 중성 파이온에 가까운 불변 질량을 제공해야 하며, 트랙에 의해 주어진 총 불변 질량은 양성자 800-1050 MeV에 가까워야 하며 불균형 운동량은 250 MeV [8]미만이어야 합니다.이 채널에서는 배경의 81%가 전하 전류 이벤트이며, 47%가 하나 이상의 파이온을 가진 이벤트이며, 28%가 준탄성이고[9] 대전된 렙톤이 안티뮤온일 경우 유사한 비율로 이루어진다.충전된 카온 채널에서 카온의 증거는 붕괴 생성물에서 볼 수 있는데, 이것은 주로 안티 뮤온과 뮤온 중성미자이다.kaon의 두 번째 공통 붕괴 채널은 대전된 파이온과 중성 파이온을 생성합니다.충전된 파이온의 후속 붕괴는 물 체렌코프 검출기의 검출 임계값 내에 있는 뮤온을 생성한다.따라서 이 두 채널 모두 CC 대기 중성미자 [10]배경에 노출되기 쉽습니다.

양성자 붕괴 배경 이벤트는 주로 하나 이상의 중성자를 생성하는 반면 양성자 붕괴는 시간의 최대 6%까지만 중성자를 생성할 것으로 예상된다.

중성자 태깅

자유 최종 상태 중성자는 검출기의 가돌리늄 도프수에 포착된다.수백 MeV의 에너지를 가진 중성자조차도 물속에서 충돌을 통해 에너지를 빠르게 잃을 것이다.이들 중성자가 열화되면 방사능 포획을 거쳐 핵에 흡수돼 더 단단하게 결합된다.초과 에너지는 감마 캐스케이드로 방출된다.순수에서 중성자 포획은 감마선에서 [11]약 2.2 MeV를 생성한다.중성자 포획 이벤트의 가시성을 높이기 위해 가돌리늄 염은 애니의 수성 매체에 용해된다.가돌리늄은 약 49,000개의 큰 포획 단면을 가지고 있으며, 이것은 자유 중성자가 방출된 후 마이크로초 단위로 발생합니다.또한 가돌리늄의 포획 이벤트는 2-3 Gamma의 [6]8 MeV 캐스케이드를 생성한다.

중성미자 상호작용과 관련된 중성자 생성 과정의 성질은 GeV 척도에서 그러한 상호작용이 하나 이상의 중성자를 쉽게 생성하는 것으로 관찰되었지만 잘 알려져 있지 않다.최종 상태의 중성자 수는 더 많은 수의 중성자를 생성하는 높은 에너지 상호작용과 함께 운동량 전달에 따라 달라질 것으로 예상된다.이 현상은 대형 수상 체렌코프 [12]검출기에서 입증되었다.이러한 특징적인 중성미자 이벤트는 PDK 배경의 많은 부분을 구성합니다.중성자의 존재는 배경 이벤트를 제거하는 데 사용할 수 있지만, 중성자의 부재는 PDK 사건의 관측에 대한 신뢰를 크게 향상시킬 수 있다.애니는 대기 중성미자 상호작용의 적용에 최적화된 중성자 태그 부착 실험에 기초한 배경 이벤트의 거부에서 정확한 신뢰도를 특성화하려고 시도한다.이러한 외삽은 부스터 중성미자 빔의 플럭스 프로파일과 대기 중성미자 [2][13]플럭스 간의 유사성으로 인해 가능합니다.

애니의 중성자 박그라운드는 주로 상류 암석과의 중성미자 상호작용에서 발생한다.

타임라인

단계 1: 기술 개발 및 배경 특성화

  • 2015년 여름 설치 시작
  • 2015년 가을 - 2016년 봄

애니는 중성자 배경을 특징짓는 것을 목표로 합니다.초기 실행은 LAPPD가 아닌 60개의 Type-S PMT를 사용할 수 있을 때까지 실행됩니다.이 시간은 LAPPD 시제품을 테스트하는 데 사용됩니다.또한 탱크 내 위치의 함수로 중성자 이벤트 속도를 측정하기 위해 보다 적은 부피의 가동 가능한 가돌리늄 도프수가 사용된다.

단계 2: 애니 물리 실행 I

  • 2016년 여름 설치

애니는 충분한 LAPPD를 취득하면 이 단계를 시작합니다.이 단계에서는 전체 가돌리늄 도프 수량, 60개의 Type-S PMT, 작지만 충분한 수의 LAPPD 및 리퍼 MRD를 사용한다.첫 번째 측정은 운동량 전달과 가시 에너지의 함수로서의 중성자 수율이다.이 단계에서는 완전한 DAQ, 트래킹을 위한 LAPPD의 정상적인 동작, 트래킹을 위한 MRD의 정상적인 동작 및 타이밍 교정을 시연하는 것을 목적으로 합니다.

단계 3: 애니 물리 실행 II

  • 2017년 가을 또는 2단계 완료 후 2018년 가을까지 진행

이 단계는 애니 디텍터의 완전한 실현을 나타냅니다.LAPPD 커버리지는 동위원소적으로 10 %를 넘습니다.이것은 50 ~100의 LAPPD에 대응합니다.이 단계에서 운동학의 상세한 재구성이 가능하므로 최종 상태 입자에 의해 결정되는 사건 등급에 대한 중성자 수율 측정이 가능하다.단계 III는 단계 I 및 II의 시뮬레이션과 데이터를 기반으로 PDK 배경을 식별하도록 설계됩니다.

외부 링크

  • "ANNIE Homepage". Retrieved 10 October 2016.

레퍼런스

  1. ^ Super-Kamiokande Collaboration (5 Nov 2008). "First Study of Neutron Tagging with a Water Cherenkov Detector". Astroparticle Physics. 31 (4): 320–328. arXiv:0811.0735. Bibcode:2009APh....31..320S. doi:10.1016/j.astropartphys.2009.03.002.
  2. ^ a b c MiniBooNE Collaboration (4 Jun 2008). "The Neutrino Flux prediction at MiniBooNE". Physical Review D. 79 (7): 072002. arXiv:0806.1449. Bibcode:2009PhRvD..79g2002A. doi:10.1103/PhysRevD.79.072002.
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