Detector cercano de línea base corta

El Short-Baseline Near Detector (SBND) es un proyecto experimental de física de partículas diseñado para probar la hipótesis del neutrino estéril . Utiliza una cámara de proyección de tiempo de argón líquido (LArTPC) instalada en Fermilab en Batavia, Illinois . ^{[ 1 ] [ 2 ]} SBND es el detector cercano para el programa Short-Baseline Neutrino (SBN), que incluye el experimento ICARUS como detector lejano y MicroBooNE se encuentra entre ellos. ^{[ 3 ] [ 4 ]} Al igual que ICARUS y MicroBooNE, SBND se encuentra a lo largo del Booster Neutrino Beam (BNB), que utiliza colisiones de protones en un blanco de berilio para producir un haz de neutrinos concentrado que luego se envía a través de cada detector. ^{[ 5 ] [ 6 ]} Al comparar los resultados de las mediciones en los diversos detectores a lo largo de la línea de haz , se pueden realizar estudios detallados de la aparición de neutrinos electrónicos y la desaparición de neutrinos muónicos a través del programa SBN. ^{[ 7 ]} SBND es el detector más nuevo del programa SBN, que comenzó a operar en diciembre de 2024 y planea recopilar datos hasta principios de 2028. ^{[ 8 ]}

SBND es un LArTPC con una masa activa de 112 toneladas, ubicado a lo largo de la línea de haz BNB a 110  m del blanco. El volumen activo de SBND está dividido en dos volúmenes de deriva, con dos conjuntos de planos de ánodo de lectura electrónica (APA) separados por el plano del cátodo entre ellos. ^{[ 9 ]} Un campo eléctrico entre el cátodo y cada APA hace derivar los electrones de ionización producidos por partículas que emergen de interacciones de neutrinos, lo que permite su recolección en una serie de planos de alambre y permite la reconstrucción 3D de las trayectorias de partículas cargadas. ^{[ 10 ]} Dado que SBND es un detector de nivel de superficie, la tasa de muones de rayos cósmicos que lo atraviesan será mucho mayor que en experimentos similares realizados bajo tierra. ^{[ 11 ]} Debido a esta mayor actividad de fondo, caracterizar estos muones es importante para que no se confundan con partículas de interacciones de neutrinos. Para ello, SBND emplea un sistema de etiquetado de rayos cósmicos que consiste en paneles de centelleo plástico con fibras ópticas integradas acopladas a fotomultiplicadores de silicio (SiPM) para recolectar la luz. ^{[ 9 ]}

Además de la lectura de carga, SBND también incluye un sistema de detección de fotones (PDS). Este PDS incluye 120 tubos fotomultiplicadores criogénicos Hamamatsu de 8 pulgadas (PMT) y 192 módulos X-ARAPUCA, que son una trampa de fotones basada en SiPM. ^{[ 12 ]} Los detectores de luz estándar (como PMT y SiPM) son más sensibles en la región visible, lo que los hace poco adecuados para detectar fotones de centelleo de argón, que se emiten en la región ultravioleta de vacío con una intensidad máxima de 128 nm. ^{[ 12 ]} Para hacer posible la detección de estos fotones ultravioleta de vacío, se aplicó un recubrimiento de desplazamiento de longitud de onda de tetrafenilbutadieno o para-terfenilo directamente a las ventanas del detector óptico, así como a una serie de láminas recubiertas montadas en el plano del cátodo. Esto proporciona una resolución temporal precisa con un alto rendimiento lumínico, con reconstrucción de posición independiente simultánea basada en las señales de luz de centelleo. ^{[ 13 ]} 

Los principales objetivos físicos del SBND incluyen:

• La búsqueda de neutrinos estériles a escala de eV mediante mediciones de alta precisión del flujo de neutrinos cerca del objetivo BNB. Esto desempeña un papel clave en la comprensión del exceso de baja energía de eventos similares a electrones observado por MiniBooNE y el Detector de Neutrinos de Centelleo Líquido . SBND observará o restringirá aún más la interpretación de esta anomalía como un neutrino estéril. ^{[ 14 ] [ 15 ]}
• Realizar mediciones de precisión de las secciones transversales de dispersión neutrino-argón, lo cual se ve facilitado por la alta tasa de eventos esperada para SBND. Se prevé que SBND recoja alrededor de 7000 eventos de neutrinos cada día, lo que representa una cantidad anual mayor que la del conjunto de datos MicroBooNE de seis años. ^{[ 7 ]}
• Búsquedas de otra física más allá del Modelo Estándar , como leptones neutros pesados , fotones oscuros , axiones QCD pesados , entre otros. ^{[ 16 ]}

SBND sirve como precursor del Experimento de Neutrinos Subterráneos Profundos (DUNE) , el experimento de neutrinos LArTPC de próxima generación que también se encuentra en Fermilab y actualmente en construcción. El diseño y muchas de las tecnologías utilizadas en SBND también se utilizarán en DUNE, que se beneficiará de la experiencia de construcción y operación adquirida. ^{[ 4 ] [ 17 ]}

Los diversos componentes se ensamblaron y finalmente se bajaron a su criostato en abril de 2023. ^{[ 18 ]} SBND comenzó la puesta en marcha en febrero de 2024 y continuó hasta el aumento de alto voltaje del TPC, lo que llevó a que los primeros eventos se detectaran a principios de julio. ^{[ 9 ]} Después de que terminó el cierre de verano de los haces en Fermilab, SBND vio sus primeros eventos completamente ensamblados en septiembre de 2024. ^{[ 19 ] [ 20 ]} El experimento comenzó su período de toma de datos en diciembre de 2024, con planes de continuar tomando datos hasta principios de 2028, correspondiente al cierre prolongado de las instalaciones del acelerador de Fermilab para las actualizaciones PIP-II. ^{[ 21 ]}

La colaboración SBND está explorando opciones para continuar tomando datos después del largo cierre y cuando las instalaciones del acelerador vuelvan a estar operativas en 2029 y más allá. ^{[ 8 ]} Un plan propuesto para SBND después del reinicio incluye tomar datos con el BNB en una configuración de haz de antineutrinos, lo que permite la recopilación de datos de dispersiones de antineutrinos-argón, que actualmente no tienen una gran estadística, a diferencia de la dispersión de neutrinos-argón. Otra propuesta incluye operar en un modo de descarga de haz dedicado, lo que permite a SBND mejorar significativamente la sensibilidad a muchos escenarios de nueva física. ^{[ 8 ]}

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41°50′03″N 88°16′10″O / 41.83429°N 88.26942°O / 41.83429; -88.26942