На пути к разгадке тайн нейтрино ученые сталкиваются с серьезными техническими вызовами. Одной из таких проблем является вмешательство мюонов, частиц, возникающих при взаимодействии космических лучей с атмосферой Земли. Чтобы повысить точность исследований, специалисты из Университета Сунь Ятсена и Института физики высоких энергий разработали новую систему мюонного вето для эксперимента Taishan Antineutrino Observatory (TAO). Работа вышла в журнале Nuclear Science and Techniques.
Эта система отличается высокой световой отдачей, четким разделением сигнала и фона и способностью сохранять высокую эффективность обнаружения даже при строгих порогах чувствительности. Разработка позволяет TAO эффективно подавлять события, вызванные быстрыми нейтронами и радиоизотопами и созданные космическими мюонами. Они затрудняют регистрацию настоящих нейтринных сигналов. Технология масштабируема и может быть применена в будущих нейтринных детекторах, где требуется более 99,5% эффективности идентификации мюонов на многотонных объемах.
Особенностью новой системы стало уникальное устройство трекера: оно состоит из 160 модулей, собранных из пластиковых сцинтилляторов, тонких полос специального материала, которые излучают свет при прохождении заряженных частиц, волокон WLS, усиливающих сбор света, и кремниевых фотоумножителей, миниатюрных датчиков света. Важно, что волокна равномерно изогнуты и сфокусированы на концах полос, что значительно увеличивает световой отклик и позволяет более точно фиксировать мюоны.
Как отметил профессор Вэй Ван, руководитель исследования, использование новой схемы размещения волокон и считывания сигнала стало важным шагом вперед для всей области мюонного вето. Эти технологии могут стать отправной точкой для многих других экспериментов в физике высоких энергий.
Экспериментальные данные показали, что чем ближе мюон проходит к концам пластиковых полос, тем выше общее количество собираемого света, хотя и наблюдается большая асимметрия сигнала. При этом даже для модулей длиной в 2000 мм световой отклик с одного конца превышает 40,8 единицы фотоэлектронов, а для полос длиной 1500 мм — 51,5 единицы, что обеспечивает четкое различение реальных событий и фонового шума.
Дополнительное использование оптической смазки между кремниевым фотоумножителем и светособирающим волокном увеличивает эффективность регистрации еще на 12,5%, что делает систему особенно чувствительной и надежной.
Чтобы оценить надежность работы, ученые протестировали три различных режима триггеров. В «модульном» режиме, где сигнал суммируется с обоих концов, эффективность детектирования превысила 99,67% при пороге в 30 фотоэлектронов. Даже в более строгом «AND» режиме, где сигнал должен превышать порог на обоих концах одновременно, эффективность составила более 99,60% при пороге в 15 фотоэлектронов.
Сохранение такой высокой эффективности даже при высоких порогах критически важно для TAO, где требуется не менее 99% надежности. Это делает систему универсальным решением не только для текущего проекта, но и для будущих нейтринных и малофоновых экспериментов.
Работа ученых прокладывает путь к более эффективным методам регистрации редких частиц, улучшая наши шансы открыть новые свойства материи и энергии, которые до сих пор оставались за пределами наблюдения. Исследования в области квантовых явлений продолжают удивлять новыми открытиями. Недавно ученые зафиксировали редкое проявление капиллярной нестабильности в квантовом газе, показав, насколько необычно может вести себя материя в экстремальных условиях.
