Войти
Эксперимент по взаимодействию нейтрино с нейтронами в ускорителе, сокращенно ANNIE, является предлагаемым черенковским детектором на воде эксперимент, предназначенный для изучения природы взаимодействий нейтрино. В этом эксперименте будут изучены такие явления, как распад протона и осцилляции нейтрино, путем анализа взаимодействия нейтрино в гадолиниевой -загруженной воде и измерения их нейтронных Уступать. Мечение нейтронов играет важную роль в отторжении фона от атмосферных нейтрино. Благодаря внедрению ранних прототипов LAPPD (пикосекундный фотодетектор большой площади) возможна высокая точность синхронизации. Рекомендуемое место для ANNIE - зал SciBooNE на Booster Neutrino Beam, связанный с экспериментом MiniBooNE. Пучок нейтрино исходит из Фермилаба, где Бустер доставляет протоны с энергией 8 ГэВ к мишени из бериллия, производящей вторичные пионы и каоны. Эти вторичные мезоны распадаются с образованием пучка нейтрино со средней энергией около 800 МэВ. ANNIE начнет установку летом 2015 года. Фаза I ANNIE по составлению карты нейтронного фона завершена в 2017 году. Детектор модернизируется для полноценной научной работы (так называемая фаза II), которая, как ожидается, начнется в конце 2018 года.
ANNIE будет запускаться с использованием Booster Neutrino Beam (BNB), работающий на частоте 7,5 Гц, с примерно 4 x 10 протонами на цель за разлив. Они доставляются 81 пучком за 1,6 микросекунды на разлив до цели на 100 метров выше по потоку в зале SciBooNE. Пучок в режиме нейтрино на 94% состоит из мюонных нейтрино с максимальной энергией потока около 700 МэВ.
. Водная мишень, используемая ANNIE, представляет собой цилиндрический объем длиной 3,8 м и диаметром 2,3 м, заключенный в пластиковый корпус. лайнер и алюминиевый корпус. Мишень оснащается от 60 до 100 восьмидюймовых фотоэлектронных умножителей. Часть сэндвич-детектора железо -сцинтиллятор, используемого для отслеживания направления дочерних мюонов в мишени SCiBooNE, называемого мюонным дальномером (MRD), может быть использована ANNIE. MRD будет изменен путем замены 10 из 13 слоев сцинтиллятора на камеры с резистивными пластинами (RPC). Это обновление обеспечит точность на уровне сантиметра на каждом слое. Более того, RCP способны выдерживать магнитное поле 1 Тл. Такое приложенное поле может когда-нибудь быть добавлено к ANNIE, чтобы добиться реконструкции заряда - спина в MRD. Это также позволило бы реконструировать импульс при самых высоких энергиях события.
Учитывая масштаб 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).
Пикосекундные фотодетекторы большой площади (8 дюймов x 8) дюймов x 0,6 дюйма) Фотодетекторы MCP. В то время как обычные ФЭУ представляют собой однопиксельные детекторы, LAPPD могут определять положение и время одиночных фотонов в пределах единственного детектора с временным и пространственным разрешением выше 3 мм и 100 пикосекунд соответственно. Первоначальное моделирование Монте-Карло показывает, что использование LAPPD с такой точностью позволит ANNIE работать как отслеживающий детектор с разрешением реконструкции треков и вершин порядка нескольких сантиметров. Эти детекторы находятся на завершающей стадии разработки.
Использование направленного пучка нейтрино позволяет реконструировать начальная энергия нейтрино и, следовательно, полный переданный импульс во время взаимодействия. ANNIE исследует взаимодействия между нейтрино и ядрами в воде с целью произвести измерения содержания нейтронов в конечном состоянии как функции от общего переданного импульса. Захвату нейтронов способствуют сольватированные соли гадолиния, которые имеют высокие сечения захвата нейтронов и излучают около 8 МэВ в гамма-излучении при поглощении термализованный нейтрон. Характеристика выхода нейтронов в фоновых событиях распада протона, 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 типами событий заряженного тока (CC) и нейтрального тока (NC).
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 в основном из нейтрино, ожидается, что множественность нейтронов будет ниже для взаимодействий CC. Это можно использовать для различения кандидатов на осцилляции электронов нейтрино от фона, такого как образование нейтральных пионов или фотонов. Кроме того, ANNIE будет следить за появлением электронных нейтрино в пучке.
Распад протона - предсказание многих теорий 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 популярные среди GUT, это:
Первый является предпочтительным каналом распада в минимальном SU (5) и SO. (10) модели GUT, в то время как вторая типична для суперсимметричных GUT, в которых операторы размерности 5 вызывают распады, для которых требуется странный кварк. Супер-Камиоканде показал минимальный предел более 10 лет.
В нейтральном канале пиона будет три ливневых трека, один от заряженного лептона и два от продуктов распада нейтрального пиона.. Чтобы подтвердить PDK, два трека должны давать инвариантную массу , близкую к массе нейтрального пиона, 85-185 МэВ, полная инвариантная масса, определяемая треками, должна быть близка к массе протона 800 -1050 МэВ и несбалансированный импульс должен быть меньше 250 МэВ. В этом канале 81% фонов являются событиями заряженного тока, 47% - событиями с одним или несколькими пионами, а 28% - квазиупругими и в аналогичных отношениях, когда заряженный лептон является антимюоном. В канале заряженных каонов свидетельства существования каона видны в продуктах его распада, которые в основном представляют собой 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 атмосферному нейтринному фону CC.
Фоновые события распада протона в основном производят один или несколько нейтронов, тогда как при распаде протонов ожидается образование нейтрона только в ~ 6% случаев
Конечное свободное состояние нейтроны захватываются водой детектора, легированной гадолинием. Даже нейтроны с энергиями в пределах сотен МэВ будут быстро терять энергию из-за столкновений в воде. После того, как эти нейтроны термализованы, они подвергаются радиационному захвату, при этом они включаются в ядро для создания более прочно связанного состояния. Избыточная энергия испускается в виде гамма-каскада. В чистой воде при захвате нейтронов образуется гамма-излучение около 2,2 МэВ. Чтобы улучшить видимость событий захвата нейтронов, соли гадолиния растворяют в водной среде ANNIE. Гадолиний имеет большее сечение захвата , около 49000 сараев, и это происходит через несколько микросекунд после испускания свободного нейтрона. Кроме того, событие захвата в гадолинии создает каскад с энергией 8 МэВ из 2-3 гамм.
Природа нейтронов, производящих процессы, связанные с нейтрино взаимодействия плохо изучены, хотя наблюдается, что такие взаимодействия при масштабах ГэВ легко производят один или несколько нейтронов. Ожидается, что количество нейтронов в конечном состоянии будет зависеть от переданного импульса с более высокими энергетическими взаимодействиями, производящими большее количество нейтронов. Это явление было зарегистрировано в больших водяных черенковских детекторах. 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. 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 сходства между профилем потока пучка нейтрино ускорителя и атмосферным потоком нейтрино.
Бэкграунды нейтронов в ANNIE возникают в основном из-за взаимодействий нейтрино с окружающими породами выше по течению.
ANNIE будет стремиться охарактеризовать нейтронные фоны. Первоначальные прогоны будут выполняться с 60 PMT Type-S , а не LAPPD, пока они не станут доступными. Это время будет использовано для тестирования прототипов LAPPD. Кроме того, для измерения скорости нейтронных событий в зависимости от положения внутри резервуара будет использоваться подвижный, меньший объем воды, легированной гадолинием.
ЭННИ начнет этот этап, когда будет приобретено достаточно 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 переданного импульса и видимой энергии. Этот этап направлен на демонстрацию полного сбора данных, успешной работы LAPPD для отслеживания, успешной работы MRD для отслеживания и завершения калибровки времени.
Этот этап представляет собой полную реализацию детектора ANNIE. Покрытие LAPPD будет более 10% изотропно, что соответствует 50-100 LAPPD. На этом этапе станет возможным детальное восстановление кинематики и, следовательно, измерения нейтронного выхода для классов событий, определяемых конечным состоянием частиц. Этап III будет разработан для определения фона PDK на основе моделирования и данных этапов I и II.
