การทดลองปฏิสัมพันธ์นิวตริโนกับตัวเร่งอนุภาค ( ANNIE ) เป็นการ ทดลอง เครื่องตรวจจับเชเรนคอฟ ในน้ำ ที่ออกแบบมาเพื่อตรวจสอบธรรมชาติของ ปฏิสัมพันธ์ นิวตริโนการทดลองนี้ศึกษาปรากฏการณ์ต่างๆ เช่นการสลายตัวของโปรตอนและการแกว่งของนิวตริโนโดยการวิเคราะห์ ปฏิสัมพันธ์ นิวตริโนใน น้ำที่บรรจุ แกโดลิเนียมและวัดผลผลิตนิวตรอน การติดแท็กนิวตรอนมีบทบาทสำคัญในการกำจัดพื้นหลังของนิวตริโนในชั้นบรรยากาศ^{[ 1 ]}โดยการนำต้นแบบแรกเริ่มของ LAPPD ( เครื่องตรวจจับแสงพิโควินาทีพื้นที่ขนาดใหญ่ ) มาใช้ ทำให้สามารถจับเวลาได้อย่างแม่นยำสูง ตำแหน่งที่แนะนำสำหรับ ANNIE คือ ห้อง SciBooNEบนลำแสงนิวตริโน Boosterที่เกี่ยวข้องกับ การทดลอง MiniBooNEลำแสงนิวตริโนมีต้นกำเนิดในFermilabซึ่ง Booster ส่งโปรตอน 8 GeV ไปยัง เป้าหมาย เบริลเลียมทำให้เกิดไพอนและเคออน ทุติยภูมิ เม ซอน ทุติย ภูมิเหล่านี้สลายตัวเพื่อสร้างลำแสงนิวตริโนที่มีพลังงานเฉลี่ยประมาณ 800 MeV ^{[ 2 ]} ANNIE เริ่มติดตั้งในช่วงฤดูร้อนปี 2015 ^{[ 3 ]}เฟสที่ 1 ของ ANNIE ซึ่งเป็นการทำแผนที่พื้นหลังนิวตรอน เสร็จสมบูรณ์ในปี 2017 เครื่องตรวจจับได้รับการอัปเกรดเพื่อการใช้งานทางวิทยาศาสตร์อย่างเต็มรูปแบบ (เรียกว่าเฟสที่ 2) ในเดือนกรกฎาคม 2019 และเริ่มเก็บข้อมูลในปี 2020 ^{[ 4 ]}

ANNIE ทำงานโดยใช้ลำแสงนิวตริโนบูสเตอร์ (BNB) ซึ่งทำงานที่ความถี่ 7.5  เฮิรตซ์ โดยมีโปรตอนประมาณ 4 ล้านล้านตัวต่อการปล่อยแต่ละครั้ง โปรตอนเหล่านี้ถูกส่งเป็น 81 กลุ่มในช่วงเวลา 1.6 ไมโครวินาทีต่อการปล่อยแต่ละครั้งไปยังเป้าหมายที่อยู่ห่างออกไป 100 เมตรในห้องโถง SciBooNE ลำแสงในโหมดนิวตริโนประกอบด้วยนิวตริโนมิวออนบริสุทธิ์ 94% โดยมีพลังงานสูงสุดของฟลักซ์อยู่ที่ประมาณ700 MeV ^{[ 2 ]}

เป้าน้ำที่ ANNIE ใช้เป็นปริมาตรทรงกระบอกยาว 3.8 เมตร และมีเส้นผ่านศูนย์กลาง 2.3 เมตร หุ้มด้วยพลาสติกและ เปลือก อลูมิเนียมเป้าดังกล่าวจะติดตั้งหลอดโฟโตมัลติพลายเออร์ ขนาด 8 นิ้ว จำนวน 60 ถึง 100 หลอด ส่วนหนึ่งของ เครื่องตรวจจับแบบแซนด์วิช เหล็ก -สารเรืองแสงที่ใช้ติดตามทิศทางของมิวออนลูกสาวในเป้า SCiBooNE ซึ่งเรียกว่าเครื่องตรวจจับระยะมิวออน (MRD) อาจถูกนำมาใช้โดย ANNIE MRD จะได้รับการดัดแปลงโดยการแทนที่ชั้นสารเรืองแสง 10 ชั้นจากทั้งหมด 13 ชั้นด้วยห้องแผ่นต้านทาน (RPC) การปรับปรุงนี้จะช่วยให้ได้ความแม่นยำระดับเซนติเมตรในแต่ละชั้น นอกจากนี้ RCP ยังสามารถทนต่อสนามแม่เหล็ก 1 เทสลาได้ สนามแม่เหล็กดังกล่าวอาจถูกนำมาใช้กับ ANNIE ในอนาคตเพื่อให้เกิด การสร้าง ประจุ - สปินขึ้นใหม่ใน MRD ซึ่งจะช่วยให้สามารถ สร้าง โมเมนตัมขึ้นใหม่ได้ที่พลังงานเหตุการณ์สูงสุด ด้วย

เนื่องจากขนาดของตัวตรวจจับอยู่ในระดับไม่กี่เมตร จึงเป็นไปได้ที่จะสร้างเหตุการณ์ขึ้นใหม่โดยอาศัยเวลาโดยใช้ข้อมูลจากรังสีเชเรนคอฟที่เกิดขึ้นระหว่างเหตุการณ์ในตัวตรวจจับ เพื่อให้ได้ความละเอียดของเวลาในระดับพิโควินาทีที่จำเป็น ANNIE ตั้งใจที่จะใช้ต้นแบบเชิงพาณิชย์รุ่นแรกของตัวตรวจจับแสงพิโควินาทีพื้นที่ขนาดใหญ่ (LAPPD) ^{[ 3 ]}

การใช้ ลำแสง นิวตริโน แบบกำหนดทิศทาง ช่วยให้สามารถสร้างพลังงานนิวตริโนเริ่มต้นขึ้นใหม่ได้ และด้วยเหตุนี้จึง สามารถ คำนวณการถ่ายโอนโมเมนตัม ทั้งหมด ระหว่างการปฏิสัมพันธ์ได้ ANNIE ตรวจสอบปฏิสัมพันธ์ระหว่างนิวตริโนและนิวเคลียสในน้ำโดยมีเป้าหมายเพื่อสร้างการวัดความอุดมสมบูรณ์ของนิวตรอน ในสถานะสุดท้าย เป็นฟังก์ชันของการถ่ายโอนโมเมนตัมทั้งหมดการจับนิวตรอนได้รับความช่วยเหลือจาก เกลือ แกโดลิเนียม ที่ละลายในน้ำซึ่งมีภาคตัดขวางการจับ นิวตรอนสูงและปล่อยรังสีแกมมา ประมาณ 8 MeV เมื่อดูดซับนิวตรอนที่อยู่ในสภาวะสมดุลทางความร้อน^{[ 6 ]}การกำหนดลักษณะของผลผลิตนิวตรอนในเหตุการณ์พื้นหลังการสลายตัวของโปรตอน ซึ่งส่วนใหญ่พบในปฏิสัมพันธ์ของนิวตริโนในชั้นบรรยากาศในเครื่องตรวจจับเชเรนคอฟน้ำขนาดใหญ่เช่นSuper-Kamiokandeจะช่วยเพิ่มความมั่นใจในการสังเกตเหตุการณ์ที่คล้ายกับการสลายตัวของโปรตอน โดยการศึกษาปริมาณนิวตรอนที่เกิดขึ้น เหตุการณ์ที่ตรวจจับได้ในปริมาตรอ้างอิงสามารถแยกแยะได้เป็นเหตุการณ์กระแสประจุ ("CC")และเหตุการณ์กระแสกลาง ("NC")ประเภทต่างๆ

ความสามารถในการติดแท็กนิวตรอนในสถานะสุดท้ายจะช่วยให้ ANNIE สามารถทดสอบแบบจำลองนิวเคลียร์เฉพาะสำหรับความถูกต้องในการปฏิสัมพันธ์ของนิวตริโนได้ ในโหมดนิวตริโน ซึ่งเป็นโหมดที่ลำแสงส่วนใหญ่เป็นนิวตริโน คาดว่าจำนวนนิวตรอนจะต่ำกว่าสำหรับ การปฏิสัมพันธ์ CCซึ่งสามารถใช้เพื่อแยกแยะ ผู้สมัคร การแกว่งของอิเล็กตรอนนิวตริโนออกจากพื้นหลัง เช่น การผลิตไพอนกลางหรือโฟตอน^{[ 7 ]} นอกจากนี้ ANNIE จะมอง หาการปรากฏของอิเล็กตรอนนิวตริโนในลำแสง

การสลายตัวของโปรตอนเป็นการทำนายของทฤษฎีการรวมตัวครั้งใหญ่ หลายทฤษฎี ANNIE จะระบุลักษณะผลผลิตนิวตรอนของเหตุการณ์ที่สร้างสัญญาณที่คล้ายกับการสลายตัวของโปรตอนในเครื่องตรวจจับเชเรนคอฟน้ำ ช่องทางการสลายตัวของโปรตอนสองช่องทางที่ ANNIE สนใจและเป็นที่นิยมมากที่สุดในGUTsคือ: ^{[ 3 ]}

พี+	→	อี+	+	π 0
พี+	→	เค+	+	ν

แบบแรกเป็นช่องทางการสลายตัวที่ต้องการในแบบจำลอง GUT SU(5)และ SO(10) ขั้นต่ำ ในขณะที่แบบที่สองเป็นแบบทั่วไปของ GUT ซูเปอร์ สมมาตรที่ตัวดำเนินการมิติ 5 เหนี่ยวนำให้เกิดการสลายตัวที่ต้องใช้ควาร์กแปลกSuper-Kamiokandeแสดงให้เห็นขีดจำกัดขั้นต่ำที่สูงกว่า 10 ³⁴ปี

ใน ช่อง ไพโออน กลาง จะมีแทร็กการอาบอนุภาคสามแทร็ก หนึ่งแทร็กจากเลปตอน ที่มีประจุ และสองแทร็กจากผลิตภัณฑ์การสลายตัวของไพโออนกลาง เพื่อยืนยันPDKแทร็กสองแทร็กจะต้องให้มวลไม่แปรผันที่ใกล้เคียงกับไพโออนกลาง 85-185 MeV มวลไม่แปรผันรวมที่ได้จากแทร็กจะต้องใกล้เคียงกับโปรตอน 800-1050 MeV และโมเมนตัม ที่ไม่สมดุล จะต้องน้อยกว่า 250 MeV ^{[ 8 ]}ในช่องนี้ 81% ของพื้นหลังเป็นเหตุการณ์กระแสที่มีประจุ โดย 47% เป็นเหตุการณ์ที่มีไพโออนหนึ่งตัวหรือมากกว่า และ 28% เป็นแบบกึ่งยืดหยุ่น^{[ 9 ]}และในอัตราส่วนที่คล้ายกันเมื่อเลปตอนที่มีประจุเป็นแอนติมิวออน ในช่องเคออนที่มีประจุ หลักฐานของเคออนจะเห็นได้ในผลิตภัณฑ์การสลายตัว ซึ่งส่วนใหญ่เป็นแอนติมิวออนและนิวตริโนมิวออน ช่องทางการสลายตัวทั่วไปที่สองของเคออนจะสร้างไพอนประจุและไพอนกลาง การสลายตัวของไพอนประจุในภายหลังจะสร้างมิวออนซึ่งอยู่ในช่วงเกณฑ์การตรวจจับสำหรับเครื่องตรวจจับเชเรนคอฟน้ำ ดังนั้นทั้งสองช่องทางนี้จึงมีแนวโน้มที่จะเกิดพื้นหลังนิวตริโนCC ในชั้นบรรยากาศเช่นกัน ^{[ 10 ]}

เหตุการณ์พื้นหลังการสลายตัวของโปรตอนส่วนใหญ่จะผลิตนิวตรอนหนึ่งตัวหรือมากกว่า ในขณะที่การสลายตัวของโปรตอนคาดว่าจะผลิตนิวตรอนเพียง 6% ของเวลา^{[ 8 ]}

นิวตรอนอิสระในสถานะสุดท้ายจะถูกจับในน้ำที่เจือด้วยแกโดลิเนียมของตัวตรวจจับ แม้แต่นิวตรอนที่มีพลังงานอยู่ในช่วงหลายร้อย MeV ก็จะสูญเสียพลังงานอย่างรวดเร็วผ่านการชนในน้ำ เมื่อนิวตรอนเหล่านี้กลายเป็นความร้อนแล้ว พวกมันจะเกิดการจับแบบแผ่รังสีซึ่งพวกมันจะถูกรวมเข้ากับนิวเคลียสเพื่อสร้างสถานะที่ยึดเหนี่ยวแน่นขึ้น พลังงานส่วนเกินจะถูกปล่อยออกมาเป็นรังสีแกมมา ในน้ำบริสุทธิ์ การจับนิวตรอนจะสร้างรังสีแกมมาประมาณ 2.2 MeV ^{[ 11 ]}เพื่อเพิ่มความชัดเจนของเหตุการณ์การจับนิวตรอน เกลือแกโดลิเนียมจะถูกละลายในตัวกลางที่เป็นน้ำของ ANNIE แกโดลิเนียมมีหน้าตัดการจับที่ใหญ่กว่าประมาณ 49,000 บาร์นและสิ่งนี้เกิดขึ้นในระดับไมโครวินาทีหลังจากที่นิวตรอนอิสระถูกปล่อยออกมา นอกจากนี้ เหตุการณ์การจับในแกโดลิเนียมยังสร้างรังสีแกมมา 2-3 รังสีที่มีพลังงาน 8 MeV ^{[ 6 ]}

ลักษณะของกระบวนการสร้างนิวตรอนที่เกี่ยวข้องกับการปฏิสัมพันธ์ของนิวตริโนยังไม่เป็นที่เข้าใจอย่างถ่องแท้ แม้ว่าจะมีการสังเกตว่าการปฏิสัมพันธ์ดังกล่าวที่ ระดับ GeVสามารถผลิตนิวตรอนได้หนึ่งตัวหรือมากกว่านั้น จำนวนนิวตรอนในสถานะสุดท้ายคาดว่าจะขึ้นอยู่กับการถ่ายโอนโมเมนตัม โดยการปฏิสัมพันธ์ที่มีพลังงานสูงกว่าจะผลิตนิวตรอนจำนวนมากขึ้น ปรากฏการณ์นี้ได้รับการบันทึกไว้ในเครื่องตรวจจับ Cherenkov ขนาดใหญ่ในน้ำ^{[ 12 ]}เหตุการณ์นิวตริโนลักษณะเฉพาะเหล่านี้ประกอบขึ้นเป็นส่วนใหญ่ของ พื้นหลัง PDKในขณะที่การมีอยู่ของนิวตรอนสามารถใช้เพื่อกำจัดเหตุการณ์พื้นหลังได้ การไม่มีนิวตรอนใดๆ สามารถเพิ่มความมั่นใจในการสังเกต เหตุการณ์ PDK ได้อย่างมาก ANNIE จะพยายามกำหนดลักษณะความมั่นใจที่แน่นอนในการปฏิเสธเหตุการณ์พื้นหลังโดยอาศัยการทดลองติดแท็กนิวตรอนที่ปรับให้เหมาะสมกับการประยุกต์ใช้การปฏิสัมพันธ์ของนิวตริโนในชั้นบรรยากาศ การคาดการณ์ดังกล่าวเป็นไปได้เนื่องจากความคล้ายคลึงกันระหว่าง โปรไฟล์ ฟลักซ์ของลำแสงนิวตริโน Booster และฟลักซ์นิวตริโนในชั้นบรรยากาศ^{[ 2 ] [ 13 ]}

รังสีนิวตรอนพื้นหลังใน ANNIE เกิดขึ้นเป็นหลักจากปฏิกิริยาของนิวตริโนกับหินโดยรอบด้านต้นน้ำ

• "หน้าแรกของ ANNIE" . สืบค้นเมื่อ10 ตุลาคม 2016 .
• บันทึกสำหรับแอนนี่บนINSPIRE-HEP