[论文解读] A new high sensitivity search for neutron-antineutron oscillations at the ESS

D. Milstead|arXiv (Cornell University)|Oct 6, 2015

Neutrino Physics Research被引用 5

一句话总结

本文提出在欧洲散裂中子源（ESS）开展对中子-反中子振荡的高灵敏度搜索，利用磁屏蔽的真空束流管道将冷中子传输200–300米至探测器，反中子可能在探测器中发生湮灭。该实验旨在实现比此前最高水平极限低三个数量级的振荡概率灵敏度，为核子数破坏和标准模型之外的新物理提供独特探针。

ABSTRACT

A sensitive search for neutron-antineutron oscillations can provide a unique probe of some of the central questions in particle physics and cosmology: the energy scale and mechanism for baryon number violation, the origin of the baryon-antibaryon asymmetry of the universe, and the mechanism for neutrino mass generation. A remarkable opportunity has emerged to search for such oscillations with the construction of the European Spallation Source (ESS). A collaboration has been formed which has proposed a search at the ESS, which would provide a sensitivity to the oscillation probability which is three orders of magnitude greater than that achieved at an ILL experiment at which the present best limit on free neutron-antineutron oscillations was obtained.

研究动机与目标

• 为探测核子数破坏，作为解释宇宙物质-反物质不对称性的关键要素，寻找中子-反中子振荡。
• 检验涉及马约拉纳中微子和R-奇偶性破坏的超对称理论模型的核子数破坏机制。
• 实现对振荡概率的灵敏度比当前来自ILL实验的最佳极限低三个数量级。
• 提供一个纯净的实验环境，用于研究仅涉及核子数破坏的过程，避免轻子数破坏的干扰。
• 利用ESS的高强中子束流和先进探测器技术，最大化信背比和探测效率。

提出的方法

• 通过旋转钨靶中的散裂反应产生中子，并将其慢化至冷中子能量（<5 meV），以获得高强度、低能量的中子束流。
• 中子通过磁屏蔽的真空束流管道在200–300米的距离内传输，以最小化磁场引起的能级分裂。
• 束流管道采用超镜面中子反射器高效引导中子，重点在于最大化中子通量（N_n）和飞行时间（t）。
• 探测系统配备碳或铍靶、带电粒子追踪器、量热计和飞行时间系统，用于识别多π介子湮灭信号。
• 采用被动和主动磁屏蔽组件，将飞行路径上的磁场保持在5 nT以下，以维持振荡相干性。
• 实施宇宙射线 veto 系统和高数据率、选择性触发系统，以抑制外部源引起的背景。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否以比当前ILL极限高三个数量级的灵敏度观测到中子-反中子振荡？
• RQ2 在ESS的自由中子系统中，振荡概率的最大可实现灵敏度是多少？
• RQ3 如何优化磁场和束流管道几何结构，以在200–300米距离内保持振荡相干性？
• RQ4 何种探测器构型可最大化信号探测效率，同时最小化宇宙射线和光致反应引起的背景？
• RQ5 ESS中子束流能否提供足够的通量和飞行时间，以实现有利于探测稀有核子数破坏过程的信背比？

主要发现

• 预计在ESS开展的该实验，对中子-反中子振荡概率的灵敏度将比当前ILL实验的最佳极限低约三个数量级。
• 预计ESS中子源将提供中子通量（N_n）与飞行时间（t）的乘积，使灵敏度按 N_n · t² 规律 scaling，显著提升探测潜力。
• 采用双层被动屏蔽和主动纵向屏蔽组件，可在200–300米束流管道内将磁场保持在5 nT以下，有效维持振荡相干性。
• 探测器设计采用碳或铍靶、管状漂移室或时间投影室追踪器，以及具备飞行时间能力的高精度量热计，可高效识别多π介子湮灭事例。
• 合作团队计划于2017年完成技术设计报告，2019年启动建设，并于2023至2025年开展物理数据采集运行。
• 允许增加角度接受度的束流口改造可使灵敏度提升约2倍，且实验后可恢复原状。