experimento de descarga de haz

Un experimento de absorción de haz ^{[ 1 ]} es un experimento donde un haz de partículas de alta energía (típicamente electrones , protones , a veces muones ) se dirige hacia un blanco denso, llamado "absorbedor", en analogía con los absorbedores de haz de los aceleradores de partículas . El blanco denso absorbe el haz primario y los subproductos leptónicos convencionales de las colisiones, reduciendo el fondo de partículas no interesantes. Las partículas que interactúan débilmente con la materia y tienen una vida útil suficientemente larga pueden salir del absorbedor y ser detectadas. Dado que muchas de las partículas hipotetizadas en las búsquedas de nueva física interactúan débilmente (por ejemplo, los candidatos a materia oscura ), los experimentos de absorción de haz son muy adecuados para dichas búsquedas. Dado que la mayoría de las partículas del Modelo Estándar son absorbidas en el absorbedor, la técnica también es adecuada para estudiar partículas de interacción débil como los neutrinos .

El haz está compuesto de partículas aceleradas en un acelerador de partículas , como protones en Fermilab o electrones en el CERN , ^{[ 2 ]} SLAC ^{[ 3 ]} o Jefferson Lab . ^{[ 4 ]} Incide sobre un llamado "depósito", un blanco hecho de material grueso y denso, a menudo metal como tungsteno , plomo o cobre , diseñado para detener el haz y absorber las partículas que interactúan significativamente, es decir, que interactúan a través de las fuerzas electromagnéticas o fuertes .

Las partículas que no son absorbidas pueden detectarse, a menudo de forma indirecta: si estas partículas son inestables y el producto de su desintegración son partículas ordinarias , estas interactúan significativamente con la materia y pueden detectarse. El punto de producción está bien localizado y el colector actúa como un filtro contra la mayoría de las partículas ordinarias de fondo. Los detectores se colocan aguas abajo del colector, a menudo protegidos de las partículas ordinarias creadas directamente por el haz primario, para detectar partículas de interacción débil (como neutrinos, axiones u otras partículas hipotéticas del " sector oculto ") que atraviesan el colector sin impedimentos.

Las ventajas de los experimentos de absorción de haces radican en su alta sensibilidad a partículas de interacción débil, la posibilidad de estudiar partículas de larga duración con vidas medias macroscópicas y su bajo nivel de ruido de fondo, dado que la mayoría de las partículas ordinarias son absorbidas por el absorbedor. Por otro lado, estos experimentos requieren una alta intensidad de haz para generar una señal suficiente y establecer límites estrictos para la nueva física, además de un blindaje y un diseño de detectores cuidadosos . La interpretación de los resultados puede resultar compleja, ya que la señal depende de los modelos de producción y desintegración.

Los experimentos de descarga de haces se remontan a las décadas de 1960 y 1970, principalmente en aceleradores de protones: ^{[ 1 ]}

Década de 1960: Se realizaron los primeros experimentos de absorción de haces en el CERN y el BNL , principalmente para estudiar los neutrinos producidos en las interacciones de protones con blancos densos.

Década de 1970: Los experimentos de descarga de haces en SLAC y Fermilab comenzaron a buscar sistemáticamente nuevas partículas de interacción débil, incluidos bosones neutros ligeros y neutrinos pesados .

Décadas de 1980-1990: Los experimentos de descarga de haces desempeñaron un papel importante en la búsqueda de partículas raras y en la medición de las secciones transversales de los neutrinos.

Década de 2000-presente: Se han propuesto y realizado experimentos modernos de descarga de haces para buscar fotones oscuros , partículas similares a axiones (ALP), materia oscura ligera y otra física del sector oculto , por ejemplo el experimento NA64 ^{[ 5 ]} en el CERN (descarga de haz de electrones), E137 ^{[ 3 ]} en SLAC y BDX ^{[ 4 ]} en Jefferson Lab .

Los experimentos de descarga de haces están diseñados para estudiar partículas raras que interactúan débilmente.

• Neutrinos. Cuando los protones de alta energía chocan contra un colector, producen piones y kaones , que luego se desintegran en neutrinos. Los neutrinos atraviesan el colector y se detectan aguas abajo, lo que permite medir sus propiedades. ^{[ 6 ]}

• Nuevas partículas ligeras de interacción débil predichas en hipótesis que van más allá del Modelo Estándar .
  • Fotones oscuros : bosones vectoriales hipotéticos que se acoplan débilmente al Modelo Estándar.
  • Partículas tipo axión (ALP, por sus siglas en inglés): pseudoescalares ligeros predichos en algunas extensiones del Modelo Estándar de la física de partículas.
  • Leptones neutros pesados ​​(HNL): candidatos a neutrinos estériles .
• Desintegraciones raras de partículas del Modelo Estándar . Por ejemplo, los experimentos de descarga de haces pueden detectar desintegraciones de mesones neutros en partículas exóticas .

Los primeros experimentos de colisión de haces en la década de 1960 en BNL y CERN ayudaron a confirmar la existencia de neutrinos muónicos. También proporcionaron las primeras mediciones de secciones transversales de neutrinos a altas energías. Hoy en día, establecen límites para nuevas partículas: experimentos como NA64 o BDX establecen restricciones para fotones oscuros, axiones y leptones neutros pesados. Por ejemplo, E137 (SLAC, década de 1980) restringió partículas ligeras similares a axiones que se desintegran en fotones a largas distancias. Los experimentos actuales de colisión de haces forman parte de la frontera de intensidad, explorando espacios de parámetros para materia oscura y partículas ligeras del sector oculto que son inaccesibles para los colisionadores. NA64 (CERN) ha establecido límites estrictos para fotones oscuros en el rango de sub- GeV .

• Física de partículas
• Modelo estándar