研究乳液探测器的中微子振荡

文摘

基于核的粒子探测器乳剂导致物理学的历史与基本发现。实验受益于无与伦比的空间和角分辨率电离粒子的测量设备的跟踪和识别。尽管技术在1970年代的衰落引起的现代电子粒子探测器的发展,乳剂今天还活着的活力重生的技术,在1990年代初,特别是由于中微子实验的需要。这一进展涉及乳液探测器本身和自动显微镜所需的光学扫描。核乳剂中微子物理学的研究,特别是关于中微子振荡实验和相关τ中微子的第一检测。有关在这一领域的应用进行了综述和关注的主要项目。一个前景也试图解决目前研发的主要方向努力进步和各领域的具有挑战性的应用程序。

1。介绍核乳剂

基于核乳胶粒子探测器技术导致的历史与基本粒子物理学的发现和测量,受益于他们无与伦比的空间和角分辨率的测量基本粒子跟踪。此外,由于特定探测器安排,准确的动量和能量的测量也进行了。尽管这项技术在1960 - 1970年的衰落由于开发和使用现代电子的粒子探测器,乳剂今天仍然使用,由于技术的有力的重生,发生在1990年代初,由于中微子实验的需要。

核乳剂已经被有效地用于许多粒子物理实验,特别是导致中微子振荡物理和τ中微子的探测(的相关问题)。在这里,重点是这个特定的物理学科,不幸的是排除许多科学成果,获得在其他不同的领域。对于那些,我们建议读者查阅现有的评论(1- - - - - -3]。读者也请注意,乳状液检测技术是基于两个独立的方面,协同整个技术发展:乳液探测器本身和所需的设备(显微镜)提取的信息存储在乳剂中。

乳剂通常包含大量的溴化银晶体(AgBr)分散在明胶。光或电离粒子穿过乳剂可以激活一些银的谷物。“这个过程是相当复杂和细节可以在上述评论文章。因此,吸收的能量水晶的溴化银导致几个银原子的浓度成一个聚合,可以作为开发中心,因此创建一个潜在的形象,在这一点上还看不见。物理化学过程允许谷物转化成金属银。一个合适的发展过程之后,卤化银乳剂被存入一个浴(工)只有银的黑色小颗粒。space-correlated序列的检测这些颗粒的合适的光学显微镜允许测量电离粒子的轨迹。凝胶的作用是提供一个三维矩阵,使定位的小晶体卤化物和防止他们迁移在开发和固定程序。这看起来非常类似于正常摄影电影发生了什么。然而,核乳剂不同于后者有几个原因:较高含量的卤化银(约一个数量级),更大的厚度,更小的尺寸和更均匀的银颗粒。

几个数量描述核乳胶粒子探测器。起初他们的敏感性,相关生产谷物的数量对于一个给定的入射粒子能量释放。第二个特征是所谓的衰落。这是氧化过程导致“存储”的数量的减少谷物沿着轨道作为时间的函数。高相对湿度和温度会加速衰退,导致损失的检测跟踪。我们会看到,衰落是最近的应用程序以利用“干净”的乳剂在使用它们之前,消除不必要的、积累的宇宙射线和环境辐射的痕迹。第三个因素是乳液的机械变形层。这发生在本地或全球范围内,可以明显影响粒子跟踪的绝对位置的知识和更严重的方向,曲率。然而,一些存在,通常采用有效的技术来减少扭曲和其影响。最后,随机分布的颗粒(所谓的“雾”)由热激发构成背景跟踪识别的乳液。 This potential background for track identification and reconstruction is usually quantified by the number of (fog) grains present per 1000 μ米³。图1显示了一个银晶体的电子显微镜图像的乳液凝胶,和重建图像的最小电离粒子跟踪(MIP)。灵敏度对应于约30粒/ 100μm。

2。一个简短的历史

乳剂有悠久的历史。第一次使用探测器的开创性工作日期木下光男(4),后来在鲍威尔et al。(5]人在1950年的重要成果得益于不断进步与提高凝胶的生产质量。1947年的发现介子构成一个优秀的成功的技术6]。一个重要的突破是由所谓的发明乳液云室(ECC)(图2)。ECC的乳液电影或厚板是由被动材料空隙层塑料或金属制成的,构成我们今天称之为sampling-calorimeter。通过这种方式,一个可能完全重建的所有跟踪电磁或强子淋浴。选举投诉委员会安排乳剂成为高空间分辨率跟踪装置与完整的3 d重建功能,除了“标准”作为一个纯粹的体积/成像探测器。类似三明治的安排提出了ECC技术的出现之前,在报道2]。

事件的研究用ECC探测器利润的潜在重建所有跟踪生产的主要交互发生在被动的材料。空间角度测量轨道区段和淋浴能源和轴进行重建。粒子衰变可以确定通过检测跟踪一览无余。此外,通过利用多个库仑散射和乳液电离测量,可以获得准确的测量粒子动量。在早期,机械稳定性的ECC三明治通常确保真空包装的纸被称为“折纸”,也需要保护的电影从外部光线,湿度和污染气体。可以由合适的x射线曝光Film-to-film对齐。稍后我们将看到,OPERA实验的ECC技术达到最高发展的见解和创新的技术解决方案。

ECC Kaplon首次开发和利用研究重型初选在宇宙射线的交互7]。ECC探测器被应用于研究宇宙射线光谱和非常高的能量交互流程。西村,极大地推动了技术的发展,提出了ECC的能量的测量γ射线通过感应电磁淋浴的研究,并提出了优化方法的发展电子淋浴,一个合适的使用被动材料板(8]。仍然在日本和在协作与富士公司,妞妞提出双面乳胶板两侧敏感的乳状液沉积的一个塑料基地(3]。基本的光学特性选择接近的乳液凝胶(meta-acrylic璐彩特)。使用塑料基板之间的两个乳状液层允许精确测量入射粒子跟踪的角度通过连接基地附近的谷物,它不受扭曲的影响(图3)。

ECC探测器乳液技术得到一个令人印象深刻的提高将实现大尺寸的可能性(表面和体积)探测器,专门为宇宙射线检测,由于密集的金属板的使用补充优秀的跟踪乳剂层的属性。人能提到,尤其是Chacaltaya [9)和富士山(10,11)实验,在近代,RUNJOB [12]和JACEE [12探测器。

由于一个实验进行了ECC探测器放置在货运航班1971年牛等人发现所谓的x粒子(13)通过观察宇宙射线诱发事件,两个带电粒子产生的主要交互展示明确指出扭结decay-topology(图4)。今天我们知道这个事件必须归因于迷住了介子生产和腐烂。这样一连三年前发现的粒子群里和Ting电子探测器在加速器。妞妞的结果可以发现更多信息(3)和引用。

随着电子的粒子探测器,一开始使用的ECCs结合电子设备,在一定程度上给时间分辨率的主要目的乳剂,通过适当的跟踪重建协会“同时”在这两个探测器,虽然有不同的空间分辨率。我们说在这种情况下的混合实验装置。由于电子探测器,跟踪是通过粒子相互作用的ECC的预选大约识别的位置开始乳液扫描或寻找交互顶点,如图2。随之而来的乳液扫描允许,准确,测量和研究活动与更高的空间精度(见,例如,14])。对于这个“循序渐进”事件重建过程可能会进一步引入一个中间阶段,通过使用额外的细乳液的电影,最初叫多变的床单(CS),作为一个中间接口之间的电子跟踪器和实际的ECC的乳剂。CS概念第一次被应用于E531实验费米实验室(14]。

CS探测器安排如图5,因为它被用于OPERA实验。Scintillator-strip飞机识别的一些粒子跟踪生产的一个基本粒子之间的相互作用在ECC三明治。这些轨道外推到CS接口电影扫描搜索匹配闪烁体的轨道区段的预测。只有在这个信件是验证,ECC探测器打开,其乳液电影发达国家和扫描搜索的主要交互。几个应用程序,CS探测器物理运行期间定期替换为了限制背景歌曲的集成和便于识别追踪中发现电子探测器。

在1970年代乳液探测器提高质量和复杂性是为应用程序开发的粒子物理实验与混合设置粒子加速器。乳剂被用作活动目标与高空间分辨率,结合电子追踪器,热量计和光谱分析仪,用于事先选定或触发特定事件的乳剂,并补充emulsion-based运动学信息。重要的讨论,乳化实验成功地设计和研究中微子的交互操作。作为第一个例子可以提到1976年观察粲粒子的衰变产生的高能中微子交互在费米实验室实验15]。另一个实验在欧洲核子研究中心在1977年用乳剂耦合的大气泡室BEBC暴露于一个中微子束16]。超过500充电电流乳剂中的中微子交互,其中8归因于neutrino-produced迷住了粒子。

已经提到过E531实验最初提出研究产生的中微子的粒子相互作用。横截面测量的结果给出了(17)和一生的粒子的测量报告(18- - - - - -21]。活跃的中微子的目标包括核乳剂在短暂的粒子可以与测微的检测精度。的衰变产物测定通过电子能谱仪,从而使E531第一混合粒子物理实验。122事件被标记的存在第二个顶点的目标,119年由反中微子。中微子和3事件粲强子的最终状态,详细研究了以检测重电离粒子的存在(重子)和完全重建的运动学衰变顶点。在这些事件中,57被归类为D⁰候选人(22]。一个重要的方面的结果E531是中微子振荡的敏感搜索(23,24]。

的优秀能力混合乳化实验在短暂的粒子的检测是利用在许多项目中,取得了杰出的科学贡献。可以提到尤其是欧洲核子研究中心WA75实验的第一个直接观察生产和B介子衰变(25],费米实验室E653实验旨在测定B介子一生(26),除了其他几个研究质子和nucleus-nucleus交互(见[3]审查)。

这种能力的乳化技术在短暂的粒子的测量是一个资产的研究始于1990年代,涉及中微子束,特别是τ中微子的探测,立即产生或来自振荡的过程。然而,在攻击这个主题,值得描述并行乳液扫描方法和技术的进展使可行的此类研究。

3所示。现代乳液探测器

乳胶板和电影技术的进步已经很大程度上由应用程序,尤其是短暂的粒子的检测,在本文的上下文中,识别tau-leptons的需要。反过来,后者可以指示τ中微子的充电电流相互作用,要么提示(例如,从梁转储实验)或来自μ子中微子的振荡,如所谓的大气neutrino-mixing主要通道的信号(27]。我们将审查这些实验。在这里,我们可以总结的主要技术进步使这些实验的可行性。

一个重要的里程碑了满足要求的合唱在欧洲核子研究中心的中微子振荡实验(28,29日]。混合检测器是基于前所未有的核乳剂作为一个活跃的目标之间的相互作用τ中微子可能来自μ中微子振荡。乳液的目标质量770千克,划分为四个栈,每个组成的八个模块分别由36板表面的36×72厘米²。90年的盘子有塑料支架μ350涂布乳剂层的两侧μ米厚度(29日]。合唱团代表历史上的一个里程碑核乳剂为目标的大小和相关的c接口,也大量用于实验。实现目标所需的劳动密集型程序乳液凝胶生产,手工浇注的塑料基地和发展,欧洲核子研究中心进行乳液实验室30.),最初提议的欧洲核子研究中心WA75实验。这一努力发展并行的发展所需的分析工具,在专题第一个自动扫描显微镜,在下一节中描述。

概念方案和初步设计的OPERA实验(31日,32我们协助原始思想的物质化意味着为实现前所未有的中微子振荡实验(ECC技术的使用33]。项目确定的技术革命。乳剂从活跃的大部分目标探测器,研究人员意识到和组装的典型实验室尺度,为工业生产的电影认为高分辨率microtracking设备组装在一个大量的ECC单位。这项工作非常成功多亏了名古屋由羽之间的协作和富士公司(34),连同其他相关工业的贡献。应该提到,尤其是实现机械均匀性高的~ 1000万铅板,自动装配的~ 150000 ECC探测器构成的歌剧目标使自动化装配线工作地下里,大型电影发展中站在里,和多变的表生产线操作在一个地下里的大厅。这些复杂和大型基础设施的描述中可以找到(35]。

44的统一的自动化机械涂料μ250乳化层的两侧μm塑料基地成功地实现了规模巨大的约1000万部电影,每个大约10×12.5厘米²,总共乳液表面近110000米²。为了允许自动工业涂料,这种凝胶需要稀释,以降低其粘度。这意味着减少颗粒密度,进而恢复了凝胶灵敏度得到改进,例如,通过控制double-jet方法生产综述AgBr微晶核。晶体沿着粒子轨迹的数量增加,通过保持恒定体积AgBr入住率和平均直径的晶体。电影通过富士的multi-coating:前20μm层涂两边的塑料基地,滚涂第二层是第一个。一层2μm明胶间隔保护相邻的乳剂层。富士歌剧电影如图6。

另一个发展,OPERA实验可行的实现所谓的乳液茶点。高温度和相对湿度的提高进步的速度损失潜在的形象。正如上面提到的,这个过程称为消退。这种可能性,但是,在接触发生时甚至可能是有用的(大规模)晚很多电影制作和低背景是必需的,因为在歌剧。衰落的歌剧电影生产和储存时间后通过5-methylbenzotriazole引入乳液凝胶(34]。这种化合物的吸收辐射引起的银色斑点减少了氧化还原电位,而硫敏化中心和金对氧化保持稳定。这样,大多数的跟踪记录后生产(由于环境辐射和宇宙射线)抹去,仍然保持足够高的灵敏度刷新的电影。一个典型的周期由三天在98%相对湿度和27°C。这样一个过程允许消除超过95%的所有累积的踪迹。这是见图7显示电影刷新处理相比,另一个没有刷新。

最后,几句话乳液凝胶上的持续研发技术。我们将看到在以下特定的应用程序需求凝胶与提高灵敏度和效率特性。一些工作正在进行中,特别是在名古屋,凝胶的不同特点可以在实验室中生产。在图8可以看到的照片乳剂电影实现和测试在伯尔尼采用定制的乳液凝胶从名古屋和斯拉夫的俄罗斯公司。很明显,一个可以实现性能明显优于获得OPERA实验的大规模生产。这些结果将打开其他的方式发展,精密调谐的乳化特性,针对特定的应用程序。

4所示。现代乳液扫描系统

1974年,一个很大的进步在乳液扫描技术发生的乳剂层的层析读出名古屋集团(36),今天仍在乳液的开发和发展领袖探测器和扫描设备。如果活性层的厚度明显比光学显微镜的震源深度(10 - 20次)一个可以获得多个层(层析)的照片通过移动一步一步的目标方向正交的乳液表面。适当结合一个能够识别和重构图像跟踪的粒子穿过层(图3)。第一个显微镜系统基于这种方法成功地用于读出的CS E653费米实验室实验。在这种情况下,16层析乳剂层图像是由于电视管作为图像捕获器。技术进一步发展,取代了由CCD摄像头和视频介绍fpga的处理器。这导致了所谓的跟踪器系统不断名古屋集团的运营和更新,用于一系列的实验(37]。

随着半自动(接线员辅助)和全自动扫描乳液检测技术随之提高,考虑到主要的事件数量增加(或等价的乳液表面),可以分析一个给定的时间间隔。扫描速度所需的时间限制的计算机控制运动的客观镜头达到不同的焦点位置,由于等待时间,反过来需要潮湿的机械振动成为相关处理测微的精度。以下一代又一代的原始记录选择器系统大幅改善随着时间的推移,(38]。系统是由一个全自动补充数据离线分析,应用数字化后的单曲在给定角度。这个特性是由可用性的快速电子和ccd和越来越多的执行阶段力学。所谓net-scan方法(39),还开发了在名古屋,最终允许重建跟踪通过将所有的检测跟踪段独立的角度和允许完成事件重建(40由多个库仑散射[],动量的决心41,42和电子淋浴鉴定分析43,44]。

目前运行版本的跟踪器,S-UTS [45),基于高度定制的组件的使用,功能令人印象深刻的表现和证明优秀的工作在名古屋进行大约二十年的时间(图9)。S-UTS的主要设计特点之一是消除在图像数据的走走停停的过程阶段,正如上面说的,是机械第一最初开发系统的瓶颈。物镜移动速度相同的(常数)的阶段,而沿着纵轴和抓取图像快速CCD相机。压电设备驱动光学系统。前端图像处理器使消零和像素包装。一个专门处理董事会执行跟踪识别,构建microtracks并将它们存储在一个临时的设备。S-UTS的常规扫描速度是超过20厘米²/小时/层而S-UTS系统已经达到了72厘米的速度²/小时/乳胶层通过使用一个更大的视野,没有内在微乳液电影的精度恶化。

另一个扫描系统最初是由萨勒诺集团(47]。这个开创性的工作最终导致了当前使用的欧洲扫描系统(ESS) [48- - - - - -50OPERA实验的目的。同时,ESS雇佣商业子系统软件框架。显微镜是笛卡尔的机器人,把乳液电影水平的舞台上只有一个CMOS摄像机安装在垂直光轴,沿着它可以搬到不同的焦平面的震源深度约3步μm。控制工作站主机一个运动控制单元,指导阶段跨区域扫描和驱动沿垂直轴相机生产光学层析图像序列。舞台搬到所需的位置和图像是抓住后停止,走走停停的算法。图像由像素摄像头抓起376帧每秒的速度,相机是在垂直方向移动。整个系统工作速度类似于标准S-UTS。基于S-UTS显微镜和ESS如图10。

对于未来的发展,一个人可以提到两个主要的研究。第一个是名古屋的S-UTS系统的进一步升级;研发研究进展的雄心勃勃的目标达成扫描速度超过每小时几百平方厘米(3]。商业的想法是基于使用步进用于光刻和像素高的相机坐标系(> 60 fps)和高像素读出率(> 370 Mpixels / s)。步进可以提供一个空间分辨率比350 nm和曝光场大于20×20毫米²。

最近,另一种方法是考虑在日本和欧洲,这档节目的特点就是使用图形处理器(gpu)。这种方法是一种革命的乳液数据的重建。最先进的GPU设想,如NVIDIA GeForce泰坦约4.6的幂次浮点运算,与2688个流处理器GPU,即使是现代CPU 6核心i7 - 3960 x型的()对应于只有0.16次浮点运算。进一步的这种方法的优点是可实现的性能是可伸缩的gpu的数量。这个想法是由Ariga提出(51在伯尔尼),这种发展目前正在积极跟进。到目前为止,其他几个小组正在调查提供的可能性使用gpu进一步发展的自动乳化扫描。所做的功可以特别提及东邦(52)和名古屋的团体,通过使用专用的光学和72 gpu,显示的可能性达到扫描速度相当于10000厘米²乳状液表面每小时。

5。合唱和甜甜圈

中微子意味着中微子混合味道态下参与弱相互作用过程(,和质量)可以表示为一个叠加态下(质量特征值,和)通过一个旋转和统一的混合矩阵称为Pontecorvo-Maki-Nakagawa-Sakata(中性粒细胞)53- - - - - -55]。混合产生的中微子振荡的发生传播在空间和时间,即周期性变化的风味成分,如果中微子质量非退化特征值。参数描述振荡混合三个角度,同样为夸克质量和所发生的弱态下通过CKM矩阵,和两个质量特征值的平方差异和,除了可能的CP破坏阶段的矩阵(27]。振荡味道转换概率还取决于比例之间的距离的中微子之前检测和能量。后者参数原则上可以选择在设计实验时为了把探测器(s)实际测量条件下的外观不同的味道没有梁或消失的中微子最初的味道。

跟着发达的理论争论的开始1990的支持作为宇宙的暗物质的组成(它可以提供大量的1 eV²),中微子社区开始认为寻找中微子振荡(μ介子-τ中微子)可能是一个强大的方法来确定这样一个大规模的中微子。应该指出的是,当时没有直接证据存在的。已经提到合唱实验(28)是设计这两方面的目标:寻找中微子振荡的参数区域对应一个1 - 10的电动车² 质量和提供的第一个证据这种难以捉摸的轻子的检测。这可以通过一个所谓的短基线实验,与探测器放置在1公里距离高能中微子的来源,有了正确的距离和能源开发的一个信号振动对应于一个1 - 10的电动汽车²质量范围。

核乳剂中发挥了关键作用的设计实验。目标的检测是很短的来自带电轻子当前交互的进而产生的振荡中微子束构成。这一个可以获利的使用密集,高空间分辨率实现混合乳剂探测器很适合高灵敏度衰减拓扑的研究(图11)。乳剂还可以使事件的完整重建运动学,反过来要求背景抑制。这种方法支持和合理的乳化技术的进步,主要与处理大量的乳剂,也多亏了上述进展乳液扫描和离线分析,这样减少分析时间乳剂的数量级比早期。

混合合唱装置结合大型核乳胶目标前所述各种电子探测器。由于粒子和迷住了轻子也有类似的有生之年,探测器也适合观察生产和衰变的魅力,的背景来源物理振荡搜索也是一个有趣的话题本身。非常大的乳液栈是紧随其后的是一组光纤的飞机。三个90 CS探测器μ乳化层两侧的800μ米厚的塑料基板被用作纤维之间的界面追踪器和“批量”乳液。跟踪预测的准确性在CS 150左右μ米在位置和2 mrad跟踪角。

电子探测器下游乳液的目标及其相关跟踪器包括一个强子谱仪测量带电粒子的弯曲空心磁铁,一个高分辨率的量热计的能源和方向测量淋浴和μ介子谱仪。合唱装置示意图描述在图12和照片在其安装如图13。

实验的操作包括几个步骤。值得注意的是,大型乳液的目标是取代只有一次在整个实验期间,在CS定期交换新的探测器,因此整合背景跟踪相对较短的一段时间。提供一个更好的时间分辨率显然是电子探测器。CS扫描电子探测器之间的关系和乳剂,并跟踪位置和角度兼容的电子追踪器的预测搜索界面乳剂。如果发现,这些痕迹进一步外推到散装乳化,与一个更好的空间分辨率、跟踪停止点,与上述scan-back过程,包括连接乳剂层逐渐更多的上游。之后,一个“体积扫描”(net-scan)在假定顶点完成和重复停止追踪,直到发现中微子交互顶点。在寻找粲粒子衰变,专用的拓扑选择应用于net-scan收集数据。分析过程被选中的事件的目视检查补充候选人,旨在检查初级和二级顶点的“堆栈”配置。衰变拓扑可以脱离普通核相互作用,因为后者通常表现出碎片从核解体或所谓的“blob”核反冲。

超过100000个中微子交互被确定(定位)和以合唱的乳剂。不幸的是,寻找振荡是负面的,只是一个上限振荡概率最终被设置(56]。负面的结果如图14显示了所谓排除阴谋指示的区域振荡参数实验排除的90%置信水平。μ子中微子交互的顶点在一个合唱乳液堆栈如图15。图16事件说明了拓扑相似轻子,由于生产和粲粒子的衰变。研究中微子诱导魅力事件的一个主要方面的实验结果。大量统计~ 2000完全neutrino-induced粲强子事件顶点聚集,与优秀的重建乳液探测器提供的特性。这样的事件,合唱已经能够测量和D⁰独家生产截面(57),double-charm生产截面在中性和充电电流交互58)和相关的魅力生产(59]。

正如上面说的,合唱团代表历史上的一个里程碑核乳剂为目标的大小和CS的探测器,对相关技术设备的复杂性,以及所代表的巨大的挑战前所未有的事件数据。所有重大国际乳剂组从日本、意大利、韩国、和土耳其参加了实验。全世界几乎所有可用的融合专业知识(除了几个乳剂组来自俄罗斯)大大促成了项目的成功和已经提到重生的技术。这也得到了证实,其他组织和个人以前不工作在乳液探测器很快就熟悉这项技术提供有价值的技术和科学的贡献。

合唱的高灵敏度跟踪实验然后提议在欧洲核子研究中心的目标增加了不止一个数量级的灵敏度的测量振荡混合角度,仍然建议的一个场景,中微子可能是暗物质的候选者。(讨论的概念的想法是第一60]。在这种情况下,提出了乳剂作为高分辨率测量表面追踪器强子和动量μ介子。这个想法被合并的提议托斯卡实验(61年]。项目结束时并没有意识到,主要是因为越来越多的证据与大气中微子中微子振荡,首先Kamiokande[提供的62年),然后由超级神冈探测器的实验(63年),在一个互补的区域振荡参数,其特征是有一个混合的角度和一个很小的值振动参数,相关质量特征值的中微子振荡。

同时,直接观察被认为是很重要的的存在,虽然间接建立,仍不出现实验证明。第一个的直接检测费米实验室的科学目标是甜甜圈实验(64年,65年]。再次,核乳剂的识别被认为是tau-leptons反过来产生的带电目前τ中微子的交互。后者是迅速的衰败中创建在800 GeV介子产生的质子束转储。在这种情况下,我们也注意到名古屋的关键贡献集团加入了其他日本乳剂组。

铁/乳液ECC目标是采用甜甜圈为中微子提供大质量交互,通过检测和识别的交互顶点的名为“跟踪τ之前衰变。选举投诉委员会的目标是由纤维追踪器(类似地合唱)补充协助跟踪外推到乳剂。甜甜圈实验允许识别578个中微子与9信号相互作用的候选事件估计1.5事件的背景。这构成了中微子的发现在2000年。的一个信号如图候选人事件17。的短道τ(约300μ米长)显然表现出扭结特征,明确衰变拓扑的签名不太可能大角度强子或子散射。

6。歌剧:有史以来最大的核乳胶探测器

长期的解决太阳能和大气中微子异常来自一系列至关重要的实验在过去二十年,发现了中微子振荡(见,例如,20.])。振荡的发生确实存在一个有限(尽管很小)中微子的质量与标准模型的假定是什么粒子和交互;振荡是迄今为止唯一的证据新物理学标准模型之外。

在1990年年底的科学争论中微子振荡变得非常激烈。实验涉及大气和太阳中微子的迹象越来越令人信服,直到明确的发现已经提到的超级神冈探测器实验(63年指向的发生振荡。当时,有一个普遍共识需要确认与大气中微子振荡信号的获得通过实验利用人造中微子束,但敏感参数区域。正如上面提到的,这可能是通过一个合适的选择l/E参数。超级神冈探测器的结果和其他的大气中微子实验表明Δ的价值米²大约10⁻³电动汽车²,远小于~ 10 eV²地区探索合唱。

OPERA实验的概念想法(31日,32),与其他方法寻找消失的一个初始中微子味道通量来自加速器或从一个核反应堆是基于检测的直接出现振荡的可能性通道,显示的超级神冈探测器大气中微子的信号。类似于合唱,寻找外表变成确定的需要短暂的轻子的“顶点探测器”几千吨质量,因为大的距离需要从源到探测器开发一个振荡信号,考虑到小Δ的价值米²。唯一现实的可能性是采用核乳剂(高空间分辨率)用于ECC配置(高质量目标),自乳化目标完全敏感一个拉合唱是不切实际的昂贵,甚至无法生产。的检测原理图中所描述的实验18。

歌剧的想法是开发一个长基线加速器中微子束l1000公里的顺序,结合相对较高的中微子能量(GeV)来确定“正确”l/E比和运动学阈值以上(~ 3.5 GeV)生产相对较重τ轻子。这个概念物化成一个实验的设计被托管在里,世界上最大的地下物理实验室,约730公里远离在欧洲核子研究中心的中微子束源。专用cng中微子束是由初级质子从欧洲核子研究中心的交互SPS到碳排放目标,因此(大部分)生产π介子和k中介子。这些介子中微子的衰变产生的长基线中微子束定向到探测器在里。

在合唱中,τ必须被检测的衰减特征的拓扑结构,在一个叉状物(电子、μ介子或强子)或三个尖头叉子。这样做是与大量的ECC单位由1毫米厚铅板空隙与薄乳胶电影,作为高精度跟踪装置,与活跃的角色目标乳剂在合唱。完整的OPERA探测器是由两个相同的超级模块组成的目标部分约900吨的ECC模块(砖)的闪烁体跟踪探测器,需要prelocalize中微子交互目标内,μ介子谱仪。

OPERA实验的详细描述(35),如图19。这里的主要特点,主要与大ECC乳液的目标。中微子的发生交互作用,产生的带电粒子轨迹闪烁计数器检测飞机放在每个目标墙砖,同样发生在取样量热计。大约有150000 ECC砖在探测器的目标,每个重约8公斤,组成的一个三明治57乳液电影和56铅板(见部分3)安排到飞机约10×10 m²表面。每个目标平面上紧随其后的是飞机的闪烁体条相同的横截面读出多阳极光电倍增管。

事件重建过程始于信号闪烁体在交互cng的中微子束。20 - 30的平均每天收集的cng中微子交互操作。这种相互作用通常是伴随着“粒子淋浴”发展量热结构由砖和闪烁体的飞机。淋浴的重建轴和/或μ介子的识别跟踪允许(有一定的效率)确定中微子交互发生的砖。然后提取目标候选人砖平面机器人和CS乳剂连接被删除和发展。砖不打开,地下储存,等待一个积极跟踪CS(图中发现的线索13)。CS是由两个乳液电影,总共4 4 microtracks乳剂层产生。CS的轨道是宣布发现如果至少3的4 microtracks实际上是重建。CS是最耗时的扫描分析过程。表现在两个大显微镜实验室位于LNGS和名古屋显微镜只是致力于CS扫描。几十平方厘米通常扫描每CS为了寻找neutrino-related轨道区段。如果没有完整的跟踪与重建的事件找到闪烁体,探测器的砖放回新CS。否则,砖暴露在宇宙射线的12个小时,提供收集足够数量的子轨迹的精确对齐砖的电影和乳液的校正变形。之后,砖终于打开,其所有的电影都是在大开发,5站设施里(35]。然后砖的乳液电影运往各个扫描实验室合作的顶点位置分析。

从CS的位置和角度信息跟踪(s),所谓的扫描程序启动,通过寻找CS跟踪推断砖的电影,从最下游的开始。失踪的scan-back跟踪可能指示存在交互的顶点(图2)。在这种情况下,执行一般扫描周围消失了跟踪的位置在一个等价的砖体积约1厘米³。这个过程称为衰变搜索,即初级中微子的识别顶点和顶点的二次粒子衰变(例如,τ为一个或者更多的尖头叉子),进行自动和常规近40歌剧砖扫描实验室的显微镜。更多细节事件重建在歌剧中,例如,在[68年]。

一旦找到了一个可以利用一个或多个顶点的所有丰富的信息存储在多个库仑散射的乳剂(MCS)分析(用于跟踪动力的决心)或搜索的电子或射线诱发下游淋浴。详细的跟踪由MCS可以在[找到动力的决心69年]。图中说明了这些方法的有效性20.的显示,显示第一个候选τ事件发现的歌剧。一些追踪重构来自主要的顶点。其中之一是发现表现出特有的扭结拓扑中,指示生产和腐烂的轻子(70年,71年]。支持这个解释事件的详细的运动学分析,假定的交互中微子振荡,互动在选定的铅板砖,和生产将衰变成τ,最终衰变紧随其后。

OPERA实验的成功在2012年完成其数据在cng梁,始于2008年。它利用中微子产生的流量质子从SPS中微子生产目标。事件的分析仍然“存储”砖探测器正在进行中。在写作的时候,几千中微子交互事件已经位于乳液砖。到目前为止,3ν_τ候选人事件已确定,预计2.2事件的信号估计0.23事件的背景。这对应于一个~ 3.2σ意义一个非空的观察振荡(72年]。第二个候选事件是兼容的拓扑的轻子衰变分成三个强子,而第三个事件,最近宣布,干净τμ介子衰变的特点是一个非常低的背景。扫描的活动将继续进行,直到2015年,更强的目标统计观测的信心ν_μ→ν_τ振荡。几个信号完成预计的事件分析。

此外,鉴于识别实验的能力促使电子通过电磁特征淋浴在茂密量热计由ECC三明治,歌剧最近的观察提供了限制振荡。总的来说,19交互时观察样本对应于2008 - 2009年的统计数据,其中6满足振荡的选择标准。1.3信号事件预计为9.4事件的背景,主要由于~ 1%的污染的梁(73年]。这个结果是非常有趣的,因为它提供了到目前为止最好的上限低Δ的排斥米²参数区域的所谓LSND / MiniBooNE信号,可能由于第四的存在和“无菌”中微子的味道。歌剧的事件显示全身的事件显示在图21。

7所示。未来:乳化技术超越了中微子振荡实验

OPERA实验的有力的研发进行的传播的现代乳化技术,已导致一些团体参与实验为未来的应用进一步继续活动。这种策略也采取其他团体在欧洲和日本没有先前参与歌剧。关注基础物理的一些应用程序,而其他参考技术甚至工业应用。在[3)和引用其中的一些引人注目的活动是在实验与气球,飞机、卫星和空间站宇宙射线物理实验,或应用程序相关的辐射剂量测定法,中子通量测量和监控,为医学应用成像,辐射生物物理学。最近的应用程序而言,例如,我们可以提到蚕卵气球实验研究宇宙伽马射线(74年),研究强子碎片医学治疗(碳75年),和一个开发一个中子摄像头用于等离子体物理实验(76年]。

另一方面,使用乳液探测器和现代(fast)扫描设备引起了技术提高也在活跃的μ介子摄影领域。后者最初提出了很久以前的厚度测量的山脉(77年),寻找未知的葬礼蛀牙的金字塔(78年]。这项技术是基于事实,初级宇宙射线与大气的相互作用提供了一个稳定的μ介子来源,可用于各种应用程序的μ介子摄影,特别是研究火山的内部结构。这个应用程序中,率先在日本(79年- - - - - -82年),最近导致了非常有趣的结果和意想不到的应用开辟了道路。相关应用领域的μ介子摄影实际上是地质构造的调查如冰川基石和在寻找冰浓度在阿尔卑斯山脉,以及检查建筑的内部结构和高炉。在这些情况下,乳液的电影代表了一个非常合适的探测器的选择,主要有两个原因:无与伦比的位置和角分辨率的测量子跟踪(小于1μm和几个mrad resp)和被动性质的设备,不需要电力、电子、无线电传输的数据,等等。然而,可能需要相当长时间曝光(几个月)对任何现实的探测器表面,乳液和准实时分析数据提出了挑战性的需求由于所需的时间由光学显微镜分析乳剂。进步的技术一定会盈利的实现合适的乳液电影和可用性的(主要)越来越多的执行扫描显微镜。可以找到更多的信息在83年]。

最近的一个显著的应用乳化技术在医学诊断框架的质子照相。提出了一种基于乳液薄膜探测器的新方法和测试在伯尔尼和PSI (84年]。这个技术在图像获得的测量位置和剩余的质子通过病人的身体。为此,核乳胶电影交叉组织等效吸收器可以用来重建质子具有很高的准确性。质子射线照相法可以应用于质子治疗为了获得直接信息组织的平均密度为治疗计划优化和执行成像非常低剂量的病人。

中所使用的探测器(84年两个幻影如图)是耦合的22。检测装置分为两个部分。第一个是乳液由30从此上映电影,每个交叉3聚苯乙烯吸收剂盘子,允许跟踪通过质子使用最小数量的电影。第二部分由40个电影,每个交叉与一个聚苯乙烯板,允许精确测量质子的布拉格峰对应的范围。探测器的总尺寸是10.2×12.5厘米²在横向方向上沿梁和90.3毫米。结果暴露在138伏的质子探测器放置在“棒”幽灵(图22)如图23。也对于这个应用程序,该技术将变得越来越吸引人的进一步进展的高速分析乳液的电影。

乳液探测器的另一个显著的应用领域一直在名古屋集团提出的最初宇宙的暗物质的检测85年]。质量弱相互作用粒子(WIMPs),可能的暗物质候选者,实际上可以被测量核反冲后缓慢与大规模高密度乳胶的目标。一个懦夫的质量约100 GeV的Ag)核乳液凝胶,人会获得~ 100 keV的反冲动量,相应的范围只有100海里。为了检测这么短,大量电离,名古屋集团目前研究所谓的技术可行性Nanoimaging跟踪(NIT) [86年- - - - - -88年]。第一个要求是要从目前的200海里AgBr晶体大小歌剧乳液凝胶约40 nm大小。这将对应密度超过10 AgBr晶体/微米。此外,为了有一个足够长的轨道,这个想法是为了应用之前所谓的乳液膨胀发展,扩大100 nm长反冲追踪1000 nm或更多。第一个测试是令人鼓舞的。内部放射性和雾颗粒随机轨道巧合构成的主要背景。

仍在基本的科学应用,乳液的电影可以用作高精度跟踪设备来确定反氢原子湮没顶点与测微的空间分辨率,或即使目标通过直接观测反物质顶点。这是一个最近的应用程序被伯尔尼集团(89年)宙斯盾系统实验在欧洲核子研究中心(90年]。自由落体的宙斯盾反氢原子发射水平将被测量直接决定第一次中性反物质的重力加速度。上的垂直精度测量湮没点左右μm R.M.S.这将通过增加乳剂检测器最初的预见μ带探测器。第一次核乳胶电影将用于真空以相对较低的温度。强烈的研发项目乳液电影已经开始应对他们在这样的条件下操作。第一个结果的行为乳剂在真空已经被出版89年]。结果也取得了与反质子湮灭在乳剂在真空和室温下(91年]。

支持新的乳液凝胶具有较高敏感性正在考虑提高检测效率用玻璃代替塑料基材。玻璃,事实上,更适合实现最高的位置分辨率由于其优越的环境稳定性(温度和湿度),比塑料基地。乳剂的新型制造在伯尔尼凝胶由名古屋大学提供。反质子交互中重建传统(从此上映)和新凝胶图所示24。肯定能看到更好的功能之一新凝胶的灵敏度核碎片和噪音。新凝胶成分可以通过调优,例如,提供较高的检测效率片段反物质毁灭而不是MIP,相反,例如,在歌剧。

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