Medida de la velocidad de los neutrinos del flujo CNGS con el detector de gran volumen*

Measurement of the velocity of neutrinos from the CNGS beam with the large volume detector

N. YU. Agafonova¹, M. Aglietta², P. Antonioli³, V. V. Ashikhmin¹, G. BarI³, R. Bertoni², E. Bressan⁴,⁵, G. Bruno⁶, V. L. Dadykin¹, W. Fulgione², P. Galeotti⁷,², M. Garbini³, P. L. Ghia⁸, P. Giusti³, E. Kemp⁹, A. S. Malgin¹, B. Miguez⁹,⁶, A. Molinario², R. Persiani³,⁴, I. A. Pless¹⁰, V. G. Ryasny¹, O. G. Ryazhskaya¹, O. Saavedra⁷,², G. Sartorelli³,⁴, I. R. Shakyrianova¹, M. Selvi³, G. C. Trinchero², C. Vigorito⁷,²¹, V. F. Yakushev¹, A. Zichichi^3,4,5,¹¹, A. Razeto⁶

Se reporta la medida del tiempo de vuelo de de ~ 17 GeV en la lınea base del CNGS (732 km) con el Detector de Gran Volumen (LVD) (por su sigla en inges). El acelerador CERN-SPS ha sido maniobrado desde el 10 de mayo de 2012, con una estructura de haz fuertemente agrupado para permitir que la velocidad de los neutrinos sea medida cuidadosamente evento por evento. LVD ha detectado 48 eventos de neutrinos, asociados al haz, con una alta y absoluta precision de tiempo. Estos eventos permiten establecer el siguiente límite en la diferencia de velocidad entre los neutrinos y la luz: (al 99% C.L.). Esta velocidad es un orden de magnitud menor que la medida directa previa.

Abstract

We report the measurement of the time-of-flight of ~ 17 GeV on the CNGS baseline (732 km) with the Large Volume Detector (LVD) at the Gran Sasso Laboratory. The CERN-SPS accelerator has been operated from May 10th to May 24th 2012, with a tightly bunched-beam structure to allow the velocity of neutrinos to be accurately measured on an event-by-event basis. LVD has detected 48 neutrino events, associated to the beam, with a high absolute time accuracy. These events allow to establish the following limit on the difference between the neutrino speed and the light velocity: (at 99% C.L.). This value is an order of magnitude lower than previous direct measurements.

1. INTRODUCCION

Las mediciones cosmologicas (26) proporcionan límites estrictos a la suma de masas de los neutrinos. Incluso suponiendo que el mas pesado de los estados propios de los neutrinos, la desviacion relativa esperada respecto de la velocidad de la luz es inferior a 10^-20 para neutrinos 10 GeV. Sin embargo, en el pasado se plantearon teorías permitiendo que algunos o todos los neutrinos tengan velocidades aparentes que son diferentes de la velocidad de la luz, c, (ver por ejemplo (24)). Un lımite estricto en E 10 MeV, , se ha obtenido a partir de la observacion de antineutrinos electrónicos de la SN1987A (18; 14; 8; 20). A mayores energías (E > 30 GeV), la desviacion ha sido probada hasta (19; 9). La colaboracion MINOS (2) ha realizado una medicion del tiempo de vuelo (TOF) de los neutrinos sobre una línea de base 735 km, con un haz de energía media < E >= 3 GeV. El resultado MINOS es de a 68% C.L. Recientemente la colaboracion OPERA ha informado (Adam et al.) de un TOF para la medicion de neutrinos muonicos de la línea CNGS (el haz de neutrinos CERN - Gran Sasso). La evidencia reportada de una propagacion de superlumínicos posteriormente fue atribuida a un problema tecnico (27; 28; 5; 22). Esta explicacion también fue confirmada por los resultados de otro experimento en el Laboratorio Nacional Gran Sasso (10).

El detector de gran volumen (LVD) del INFN en el Laboratorio Nacional Gran Sasso (LNGS), tiene una profundidad media de 3600 m.e.a. El LVD es un detector con 1 kton de centellador lıquido, cuyo proposito principal es el monitoreo de la galaxia para estudiar explosiones de neutrinos provenientes de colapsos gravitacionales estelares (6). El LVD comenzo a funcionar en 1992, y desde 2006 funciona tambien monitor lejano del haz CNGS (7; 3). El LVD es sensible a las interacciones de neutrinos con protones y nucleos de carbono en el contador de centelleo líquido y con el hierro de la estructura del detector. Los muones, que se producen por interacciones de corriente cargada de los neutrinos muonicos en la roca, y son responsables de la mayor parte de los eventos CNGS detectados en el LVD. Aquí presentamos una medicion de la velocidad de los neutrinos obtenida a traves de la detección de del haz CNGS. Se demuestra que la velocidad de los neutrinos es compatible con c, siendo su desviación < 3.8 x 10^-6 con 99% C.L. La sensibilidad de esta medicion es de un orden de magnitud mejor que la de los anteriores en un rango de energıa similar.

El LVD consiste en 840 contadores de centelleo, de 1.5 m³ cada uno. El arreglo esta dividido en "torres" identicas, que tienen alimentación de alto voltaje, disparadores y sistema de adquisicion de datos y un reloj absoluto (ESAT Slave RAD100) independientes. Este ultimo está conectado al Reloj Maestro (ESAT RAD100) a traves de un enlace óptico de 8 km, ubicado en los edificios externos al LNGS. Cada una de las torres consta de 35 "modulos" que contienen un grupo de 8 contadores. Cada contador se observa desde la parte superior por tres tubos foto-multiplicadores (PMT) de 15 cm, FEU49b o FEU125. La electronica estándar el LVD se describe en detalle en (13; 4).

La condicion de activación para cada torre es una triple coincidencia de los PMT en cualquiera de sus contadores, lo que corresponde, en promedio, a un umbral de energía E_H 4 MeV La energía liberada en cada contador se mide, a traves de un ADC de 12 bits, con una media de resolución para 10 MeV El tiempo de arribo se mide con una granularidad de 12.5 ns. Un oscilador de cristal de citrino de alta estabilidad (40 MHz) alimenta al reloj general para todo el experimento. Una milesima de segundo despues de la ocurrencia de un disparador, se leen en conjunto los buffers de memoria (que contienen la informacion de la energía y el tiempo de todas las senales detectadas) con la señal de tiempo asociada al reloj de cada torre (ESAT Slave). La precision del tiempo absoluto del LVD es del orden de un microsegundo. Esta es mas de la necesaria para buscar, entre los diferentes telescopios de neutrinos, coincidencias que fuesen generados por un colapso gravitacional y para guiar la busqueda de posibles senales de ondas gravitacionales (23).

A pesar de su resolucion de tiempo absoluto limitado, el LVD ha detectado, hasta finales de 2011, 32 eventos de neutrinos de las prueba del haz CNGS agrupado (16). La diferencia entre tiempo de vuelo del neutrino y el correspondiente valor esperado a la velocidad de luz que se ha encontrado que es:

Para realizar esta medicion, hemos recalibrado cuidadosamente todos los componentes del LVD así como los retardos de tiempo con el fin para mejorar la precision en la medida del tiempo. Las incertidum-bres se deben a la resolucion del tiempo absoluto; a las fluctuaciones en el tiempo de respuesta de los distintos detectores (a veces se utilizan valores medios de transito cuando no se los conoce); y para la incertidumbre en la determinacion de la posición de evento. Esta medida preliminar ha demostrado que, dentro de la incertidumbre, la velocidad de los neutrinos CNGS es compatible con la velocidad de la luz. Por otra parte, ha ayudado a la identificacion de qué caracterısticas de los detectores podrían mejorarse para una medicion más precisa de la velocidad de los neutrinos.

3. ACTUALIZACION DE LAS INSTALACIONES

Para permitir una medicion muy precisa del TOF de los neutrinos, el acelerador del CERN - SPS estuvo operando con una nueva estructura de haz desde 10 al 24 de mayo del 2012. Se utilizo un juego de cuatro lotes separados por unos 300 ns, con 16 paquetes en cada lote, con un ancho de banda de ~ 3 ns cada uno, separados entre sí por 100 ns. La estructura por lotes se conoce por la forma de onda obtenida desde el transformador de corriente de haz (BCT) (ver fig. 2, líneas grises).

Para esta ocasion, se diseñó una nueva Instalación para Tiempo con Alta Precision (HPTF) por la colaboracion Borexino (15) e instalados en los edificios exteriores del LNGS. Un receptor GNSS Septentrio PolaRx4, sincronizado con la frecuencia de 10 MHz de reloj de rubidio de un GPS, el cual proporciona una senal de salida de tiempo de GPS y XPPS (10 Hz). El HPTF esta equipado con Contadores de Intervalo de Tiempo (TIC) de Pendulo con alta precisión (50 ps), CNT-91; a los que se pueden conectar las senales de los factores desencadenantes de los diferentes experimentos del LNGS.

Carlo (7)) se ha medido que los contadores de Super-Set estan implicados en un ~40% de los eventos detectados por el conjunto CNGS LVD, mientras que representa menos del 7% de toda la matriz. Por un lado, para evitar las fluctuaciones de tiempo en el desencadenante a nivel de un solo contador, se ha modificado el cableado de los PMT, retrasando solo uno de ellos. Este cambio garantiza que las coincidencias triples entre los PMT en cada contador siempre se forman debido al mismo tubo. Por otra parte, para realizar una medicion del tiempo de tránsito en cada contador, los hemos equipado con un sistema de LED. El tiempo de transito, denominado , es el tiempo entre la generacion de luz dentro de un contador y la formacion del desencadenante. Por medio del sistema de LED, hemos medido el comportamiento del tiempo de transito como función de la energía para cada contador. Se han simulado diferentes valores de energía variando la intensidad del LED en cada uno de ellos, y se mide el tiempo de transito en funcion de la energía. Para cada contador, que mejor ajuste a los resultados es una ley de potencias de la forma:

donde E_m es la liberacion de energía medido por el ADC, mientras que P₁, P₂ y k son parametros libres del ajuste, para cada contador.

Tambien se actualizó el desencadenante de la matriz. Se ha implementado una logica de disparo rapido independiente por la extracción (desde los discriminadores) de la coincidencia de los contadores disparados, con el desencadenante enviados al HPTF. El desencadenante esta conectado a una de las TIC, que es detenido por la senal del XPPS. Esto proporciona una alta precision diferencia de tiempo, , entre el tiempo del desencadenante del LVD el del GPS absoluto. Gracias a esta mejora, la exactitud de tiempo absoluto del LVD es del orden de unos pocos nanosegundos.

Finalmente, se realizo una medida geodésica nueva, independiente y de alta precision. El valor inicial de la línea CNGS-LVD, es decir, la distancia entre el centro del haz BFCTI.400344 del transformador de corriente (BCT) del detector en el CERN y el Super-Set del LVD en la pared superior (se toma como referencia el LVD), se encuentra que es 731291.87 ± 0.04 m (Barzaghi). El tiempo de vuelo correspondiente a la velocidad de la luz, cuando se incluye la contribucion de 2.2 ns debido a la rotación de la Tierra, es = 2439329.32 ± 0.13 ns.

4. LA MEDICION

El tiempo de vuelo de los neutrinos, , es la diferencia entre el tiempo absoluto en el cual el evento activa un contador en LVD ( t_v ) y el tiempo absoluto en que el grupo de protones cruza el monitor de intensidad BCT en el CERN ( t_p ), ambos expresados en el tiempo de referencia de la LNGS, es decir, = t_v — t_p . t_v esta dado por :

donde es la señal de tiempo del GPS absoluto de la primera senal XPPS la después del desencadenante. es una correccion para la diferencia de camino causada por eventos de neutrinos que llegan a los contadores diferentes alturas (el angulo de incidencia del haz CNGS con respecto al plano horizontal es 3 grados). = 180.8 ± 1.5 ns resume todos los retrasos constantes en el LVD. y se han introducido previamente, y representan la correccion del tiempo de tránsito en cada contador y el retraso entre el desencadenate y el tiempo GPS absoluto, respectivamente. t_p esta dada por :

donde t_HCA es la senal temporal de extracción de la senal del protón incidente (inicio de la digitalización de forma de onda BCT); es el retraso del primer grupo de protones con respecto al comienzo de la adquisicion de la señal ; = 9521.1 ± 2.0 ns suma todas los retrasos de tiempo en el CERN y el es la diferencia de tiempo entre los sistemas de referencia del LNGS y el CERN (15).

El LVD estuvo en pleno funcionamiento en mayo de 2012 con un haz agrupado. Para cada evento detectado en ese periodo, hemos determinado la diferencia entre el tiempo de la deteccion en el LVD y el tiempo de la senal de extracción del incidente en el CERN, despues de contar el valor inicial de la CERN-LVD, es decir, no incluye la identificacion del grupo de neutrinos que dan origen al evento. Para comprobar el funcionamiento del detector, se han buscado coincidencias en todo el LVD en un tiempo de ventana amplia, a saber . Tenemos que se han encontrado 190 eventos en total, en consonancia con el 1.89 x 10¹⁷ protones en el blanco (p.o.t.) existentes durante el periodo del haz (7).

Para la medicion de la velocidad de neutrinos sólo se utilizan los eventos que involucran al menos uno de los contadores del Super-Set. Hemos encontrado 79 eventos de un total de 190, es decir, el 40% como se esperaba (ver seccion anterior). Cuatro de ellos no son utilizables para una medicion precisa del tiempo de vuelo: uno no tiene informacion completa en la base de datos del CERN, mientras que los otros tres el ADC tuvo un mal funcionamiento. Para limitar las fuentes de incertidumbre sistematica, se han aplicado cortes de calidad para los 75 eventos restantes. En primer lugar, porque el numero de fotoelectrones necesarios para liberar la energía E<10 MeV es demasiado baja para garantizar que el contador se active por la luz directa (es decir, rapido), por lo que se han seleccionado solo los eventos donde E>10 MeV (diez eventos excluidos). En segundo lugar, hemos requerido la no saturacion del ADC del contador de activacion, porque la saturación no permitiría una medicion precisa de la expresión en (2) (siete eventos excluidos). Por ultimo en los 58 eventos restantes, hemos probado diferentes cortes de energıa, entre 10 y 100 MeV. Mientras que el valor medio del tiempo de medio de la distribucion se mantiene constante para cualquier corte, el r.m.s. decrece a medida que aumenta el umbral; y se convierte en estable para E>50 MeV, siendo este valor nuestra eleccion final para el corte de energía. Los cortes descritos reducen la muestra a 48 eventos, que seran utilizados para el análisis final. Nosotros notamos que entre todos los eventos excluidos, hay cinco cuyos tiempo-de-vuelo se desvían significativamente de la media de la distribucion de los 79 eventos originales. Esos son cinco de los eventos para los cuales E<10 MeV, este numero es coherente con el valor esperado del ruido de fondo. De hecho, la frecuencia del ruido de fondo del Super-Set, debido principalmente a la radiactividad de la roca, es . Con n 25000 extracciones, el numero esperado de eventos de fondo es

Los 48 eventos seleccionados han sido inspeccionados de forma individual: casi todos ellos muestran la presencia de una senal de muones, como se espera de una interaccion de corriente de . La distribucion de la medición se muestra en la figura 2 (líneas negras), donde tambien se muestra la suma de las formas de onda digitalizadas asociados al monitor de intensidad del haz (líneas grises). La estructura del haz viga es claramente identificable, y cada evento del LVD se puede asociar al pico mas cercano de la forma de onda del haz. Para cada evento que calculamos la diferencia de tiempo, , con respecto al maximo de intensidad del pico. La distribucion de para los 48 eventos se muestran en la figura 3 (histograma negro) en comparacion con la superposicion de todos los picos de las formas de onda correlacionadas con eventos detectados (curva gris). La cola positiva en el histograma gris es un artefacto de la funcion de transferencia del sistema BCT (17). Este efecto no influye en nuestra medida ya que las calibraciones de tiempo se realizaron respecto a la posicion del máximo. El valor medio de la distribucion medida es:

Las incertidumbres sistematicas asociadas a la medicion de se resumen en la Tabla 1. La línea de base entre el CERN y el LVD se conoce con una incertidumbre inferior a 0.3 ns. De hecho, los neu-trinos muonicos inducidos que son la causa de los eventos en el Super- Set se pueden generar a distancias hasta de varios cientos de metros del LVD. Esto acorta la línea base real de los neutrinos, ya que parte de la distancia se recorre por muones de diferentes energías. Este efecto fue analizado a traves de simulaciones de Monte Carlo y tiene un impacto insignificante en la medicion. Los retrasos constantes en el CERN dan una incertidumbre adicional de 2.0 ns. La incertidumbre debida al tiempo del sistema de intercalibracion ha sido medida (15) y es de 1.1 ns. Tambien se ha medido, el retraso entre el tiempo de extraccion de protones y el registro de las formas de onda por un digitalizador BCT, con una incertidumbre de 1.0 ns. La correccion de la variable (que es dependiente de la energía y el contador) introduce una incertidumbre sistematica adicional de 0.4 ns, evaluados a traves la propagación de la señal de energía asociada a la medicion. Por último, los tres ultimos términos de la Tabla 1 están relacionados con las correcciones constantes en la calibracion del tiempo absoluto de los contadores del Super set. Representan el retardo de tiempo desconocido entre el desencadenante y la generacion de luz LED: 2.6 ±1.5 ns; la incertidumbre asociada a la longitud de la fibra optica, 0.5 ns, y la diferencia entre la respuesta del detector de luz LED y de ionizacion de las partículas de 1.1 ± 0.6 ns (el tiempo de decaimiento de centelleo es = 3.32 ns (11)). Sumando cuadraticamente todas esas contribuciones, se obtiene una incertidumbre sistematica total de 3.2 ns.

5. CONCLUSIONES

Hemos presentado la medicion de la velocidad de los neutrinos con el experimento LVD, a traves de la deteccion del haz de neutrinos muónicos CNGS. Durante 10 dıas de medidas del haz agrupado, el LVD ha detectado 190 eventos en coincidencia con los neutrinos del haz. De esos eventos, 79 han involucrado al menos un contador en el Super- set, que es un conjunto de 58 contadores actualizados para mediciones precisas del tiempo. A fin de limitar las fuentes sistematicas de incertidumbre, se han aplicado cortes de calidad a estos eventos. Los 48 eventos resultantes se han utilizado para determinar el tiempo de vuelo de con = 17 GeV en la línea de base CNGS. Se encontro que la desviación prevista del tiempo de la propagacion a la velocidad de la luz es:

El límite de confianza del 99% correspondiente en la velocidad de neutrino es:

Estos valores son un orden de magnitud inferior a las mediciones previas directas. Mediante el uso de la energía media del haz de neutrinos, = 17 GeV, se encuentra un límite para la masa relativista de neutrinos:

AGRADECIMIENTOS

Esta medicion fue posible por el esfuerzo de G Di Carlo , S. Parlati y P. Spinnato del Centro de Computo LNGS; G. Korga, de la Colaboración Borex-ino; P. alvarez y J. Serrano del personal del CERN; G Cerretto, V Pettiti y C. Plantard deI INRIM Torino; Hector Esteban del Real Instituto y Observatorio de la Armada (ROA), San Fernando, Espana y la Division de Electrónica INFN Torino. Agradecemos a F. Vissani por las discusiones de gran valor para nuestro trabajo.

6. NOTA AÑADIDA EN LA PRUEBA

Recientemente hemos recibido los datos de otro proyecto acerca de una nueva medicion del , es decir, la suma de los retrasos constantes en el CERN (Sanchez). El nuevo valor es: = 9522.4 ± 2.0 ns. Utilizando este valor, nuestro resultado se convierte en:

La diferencia respecto de los resultados previos esta dentro del rango de nuestras incertidumbres. El lımite correspondiente a la velocidad del neutrino con 99% C.L., se hace mas restrictivo:

NOTA

(La colaboración LVD)

¹ Institute for Nuclear Research, Russian Academy of Sciences, Moscow, 117312 Russia

² INFN-Torino, OATO-Torino, 10100 Torino, Italy

³ INFN-Bologna, 40126 Bologna, Italy

⁴ University of Bologna, 40126 Bologna, Italy

⁵ Centro Enrico Fermi, 00184 Roma, Italy

⁷ University of Torino, 10125 Torino, Italy

⁸ Laboratoire de Physique Nucleaire et de Hautes Energies (LPNHE), Universités Paris 6 et Paris 7, CNRS-IN2P3, Paris, France

⁹ University of Campinas, 13083-859 Campinas, SP, Brazil

¹⁰ Massachusetts Institute of Technology, Cambridge, MA 02139-4307, USA &

¹¹ CERN, Geneva, Switzerland

^* Traduccion autorizada de "Measurement of the velocity of neutrinos from the CNGS beam with the Large Volume Detector", N. Yu. Agafonova et al., Physical Review Letters 109 (2012) 070801.

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