Liquid Argon Time Projection Chambers in the studies of rare events (phenomena) in particle physics and astrophysics

Abstract

W ciagu kilku ostatnich dekad, neutrinowa społecznosc naukowa, wykazała olbrzymie zainteresowanie wykorzystaniem techniki ciekłoargonowej i ciekłoargonowymi komorami projekcji czasu (LAr-TPC) do badania rzadkich zdarzen (np. oddziaływanie neutrin czy WIMPów). Działanie ciekłoargonowych komór projekcji czasu polega na pomiarze sladów naładowanych czastek oddziałujacych w ciekłym argonie, pomiarze strat energii w wyniku jonizacji osrodka (dE/dx) oraz identyfikacji oddziałujacych i powstałych czastek. W pracy tej przedstawiona została technika ciekłoargonowa, zalety i wady róznych koncepcji detektora ciekłoargonowego, ich konstrukcja i zasada działania, przykłady mozliwych zastosowan i wyniki jakie mozna osiagnac stosujac ciekłoargonowa komore projekcji czasu. To ostatnie pokazane jest na przykładzie najwiekszego zbudowanego do tej pory ciekłoargonowego detektora projekcji czasu: ICARUSa T600 (760 t LAr, 476 t czynnej masy). Detektor ICARUS T600 z powodzeniem pracował w podziemnym laboratorium w Gran Sasso we Włoszech (LNGS - Laboratori Nazionali del Gran Sasso [1]) od 2010 do 2013 roku. Podczas jego eksploatacji zebrano dane bedace wynikiem oddziaływania, w ciekłym argonie, neutrin wyprodukowanych w osrodku CERN i przesłanych do Gran Sasso (wiazka CNGS [2]). Przeprowadzono takze badania oddziaływan neutrin atmosferycznych. Doskonała rozdzielczosc kalorymetryczna i rekonstrukcyjna detektora pozwoliła na szeroki program badawczy, od rozpadu nukleonu do badania oscylacji neutrin z wiazki CNGS. Wsród badan przeprowadzonych z wykorzystaniem wiazki neutrin mozemy wyróznic trzy główne: (1) weryfikacja zjawiska nadswietlnosci neutrin sugerowanej przez eksperyment OPERA [4], (2) dokładne badanie znikania neutrin mionowych oraz (3) anomalne pojawianie sie neutrin elektronowych. Celem tego ostatniego była eksperymentalna weryfikacja lub wykluczenie nieprawidłowosci w liczbie obserwowanych neutrin elektronowych, sugerowany przez eksperyment LSND [3]. W pracy zostały takze opisane rózne aspekty zwiazane z praca detektora ICARUS T600, poczawszy od zastosowania ciekłego argonu jako medium w którym oddziałuja czastki, przez osiagniecia z zakresu fizyki, do przyszłosci detektora w osrodku Fermilab National Accelerator Laboratory (FNAL [5]) i jego udział w programie badawczym z krótka baza (SBN [6]).