A Neutrino Detector Design

A Simulation Study on the Design of the Cherenkov Near Detector of the Proposed ESSnuSB

Författare

Alexander Burgman

Summary, in Swedish

Att Detektera en Neutrino

I dagens Universum är allting vi kan se; alla varelser, alla planeter och alla stjärnor, uppbyggda av materia. Trots detta tror man att det i Big Bang skapades lika mycket antimateria som materia, men att all denna antimateria på något sätt har försvunnit. Ett steg på vägen att förklara detta kan vara att undersöka vissa skillnader mellan neutriner och antineutriner, vilket är de minsta och mest svårdetekterade partiklarna man idag känner till. Denna skillnad kan återfinnas i hur fort neutrinerna och antineutrinerna oscillerar, alltså hur fort de skiftar mellan att vara en av tre olika sorter (elektron-neutrino, myon-neutrino och tauon-neutrino).
Ett av de projekt som är föreslagna för att undersöka detta är forskningsanläggningen ESSnuSB, vilket skulle vara ett tillägg till ESS-anläggningen i Lund. Vid ESSnuSB skulle man då generera en stråle av neutriner som sedan skulle passera genom jorden till en gruva i Mellansverige, ca 500 km ifrån punkten där de genererats. I gruvan ska då en så kallad fjärrdetektor placeras, en enorm vattentank med ljusmätare på insidan, i syfte att detektera de neutriner som når den.
Utöver fjärrdetektorn behöver man även ha placerat en så kallad närdetektor i nära anslutning till punkten där neutrinerna produceras. Närdetektorn kommer att vara en vattenfylld cylinderformad tank med ljusmätare på insidan, och ligga i samma riktning som neutrinostrålen. Den kommer att vara placerad någonstans mellan 50 och 500 m ifrån neutrinernas produktionspunkt, och kommer på insidan vara klädd med en stor mängd ljusdetektorer. Med hjälp av närdetektorn kan man kontrollera att neutrinostrålen har de egenskaper som man tror strax efter dess produktion.
Syftet med det examensarbete som utförts var tudelat. För det första ska konkreta rekommendationer tas fram för hur närdetektorn ska utformas, d.v.s. begränsningar i bl.a. dess storlek och placering. För det andra ska en algorithm utvecklas som kan avgöra vilken sort en neutrino har när den registreras i detektorn. Detta är mycket viktigt, då man vill finna övergången, eller oscillationen, från en sort till en annan. Dessa två mål nås genom att simulera hur detektorn beter sig när den registrerar en neutrino.
Examensarbetet har visat att närdetektorn måste uppfylla följande villkor för att kunna detektera neutriner på ett tillfredsställande sätt:
• Närdetektorn bör ha en diameter betydligt större än 2 m, exempelvis 8 m.
• Närdetektorn bör vara betydligt längre än 3 m, exempelvis 10 m.
• Närdetektorn bör vara placerad längre ifrån neutrinernas produktionspunkt än 200 m.
• Närdetektorn bör dessutom vara placerad längre ifrån produktionspunkten än 25 gånger dess diameter, på grund av strålens spridning.
• Ljusdetektorerna på insidan av närdetektorn bör kunna upplösa avstånd på minst 10 cm.
• Ljusdetektorerna på insidan av närdetektorn bör kunna upplösa tidsskillnader på minst 100 ps.
Utöver detta har en algoritm utvecklats som kan identifiera vilken sort av neutrino som detekteras. Denna algorithm ger en felidentifikation för endast 0.3% av detektionerna.
Detta examensarbete utgör därmed den första studien som gjorts på utformningen av närdetektorn för ESSnuSB, och lägger således grunden för vidare utveckling av denna detektor.

Avdelning/ar