Investigadores de la Universidad Sun Yat-sen (SYSU) y del Instituto de Física de Alta Energía (IHEP) han desarrollado un innovador sistema de seguimiento de veto superior para el experimento del Observatorio de Antineutrinos de Taishan (TAO). Este sistema, compuesto por 160 módulos de scintilador plástico (PS) con arreglos optimizados de fibra de desplazamiento de longitud de onda (WLS-fiber) y fotomultiplicadores de silicio, promete mejorar significativamente el rendimiento en la detección de muones, así como la diferenciación entre señales y ruidos de fondo.
La implementación de este sistema permite suprimir eventos de neutrones rápidos inducidos por muones cósmicos y radionúclidos, que son interferencias significativas para la señal de neutrinos. Con una eficiencia de identificación de muones superior al 99,5% en volúmenes de múltiples toneladas, esta solución escalable establece un nuevo estándar para los detectores de neutrinos de próxima generación.
Diseño único para un rendimiento superior
Para los detectores de neutrinos cercanos al suelo o de bajo fondo, los sistemas de veto de muones son esenciales. El sistema de seguimiento superior de TAO consta de 160 módulos, cada uno fabricado con tiras de PS, fibras WLS embebidas y fotomultiplicadores de silicio. Uno de los aspectos más destacados de este diseño es la disposición optimizada de las fibras WLS, que están uniformemente dobladas en el PS y combinadas con un sistema de lectura enfocado en el extremo, lo que mejora tanto el rendimiento de la luz como la eficiencia en la detección de muones.
El profesor Wei Wang, autor principal de la investigación, ha señalado que «este diseño único representa un avance significativo en la detección de vetos de muones». La innovación en la disposición de las fibras y las técnicas de lectura proporciona una valiosa experiencia y referencias para otros experimentos relacionados.
Eficiencia de detección y diferenciación clara de señales
La investigación revela que, cuanto más lejos impacta el muón hacia los extremos de la tira de PS, mayor es el rendimiento total de luz, aunque con una asimetría creciente. La intensidad de señal más probable desde un extremo de un módulo de PS de 2000 mm es al menos superior a 40,8 p.e. con una clara diferenciación entre las señales de fondo y de muones. Para un módulo de 1500 mm, esta cifra es de al menos 51,5 p.e.
El uso de grasa óptica para acoplar el SiPM y la fibra WLS incrementa el rendimiento efectivo de luz en un 12,5%. Esta alta producción de luz y la clara separación entre señales y ruidos de fondo garantizan que el detector pueda identificar con precisión los muones y eliminar eventos asociados, algo crucial para el éxito de los experimentos de neutrinos y de bajo fondo.
Se definieron tres modos de activación y sus eficiencias para evaluar de manera integral el rendimiento de este diseño innovador. En el modo «módulo», que suma señales de ambos extremos del PS para superar el umbral, la eficiencia de detección del PS superó el 99,67% con un umbral de 30 fotoelectrones. Incluso en el modo «AND», que exige que ambos extremos superen simultáneamente el umbral, la eficiencia se mantuvo superior al 99,60% a un umbral de 15 fotoelectrones.
Mantener una alta eficiencia de detección incluso ante umbrales elevados asegura que el detector funcione con alta fiabilidad y precisión, cumpliendo con los estrictos requisitos del experimento TAO con un 99,00% de conformidad. Esta capacidad ofrece una solución de detección robusta y confiable, no solo para el experimento TAO, sino también para otras aplicaciones en los campos de la detección de neutrinos y de bajo fondo.
Esta investigación sobre el sistema de detector de veto de muones para el experimento TAO esboza un camino potencial hacia tecnologías de detección más eficientes y fiables. Al combinar un diseño único con alta producción de luz, diferenciación clara de señales y alta eficiencia de detección, el sistema puede influir en el futuro de estos experimentos. Con la creciente demanda global de capacidades de detección mejoradas, estos avances ofrecen un sistema auxiliar confiable.
