DONUT

DONUT(Direct Observation of the Nu Tau, E872)는 페르미 국립 가속기 연구소에서 타우 중성미자 상호작용을 탐색하기 위해 진행된 실험이다. 이 검출기는 1997년 여름 몇 달 동안 작동하여 타우 중성미자를 성공적으로 검출했다.^[1] 이는 표준 모형에 의해 예측된 마지막 렙톤의 존재를 확인시켜주었다.^[2] 이 실험에서 얻은 데이터는 타우 중성미자의 자기 모멘트에 대한 상한선을 설정하고^[3] 상호작용 단면적을 측정하는 데에도 사용되었다.^[4]

원리

DONUT에서는 테바트론에 의해 가속된 양성자가 맵시 중간자의 붕괴를 통해 타우 중성미자를 생성하는 데 사용되었다. 자석 및 벌크 물질(대부분 철과 콘크리트) 시스템으로 원치 않는 배경 입자를 최대한 제거한 후, 빔은 여러 장의 핵유제를 통과했다. 매우 드물게 중성미자 중 하나가 검출기에서 상호작용하여, 유제에 눈에 보이는 흔적을 남기고 섬광체와 드리프트 챔버 시스템에 의해 전자적으로 기록될 수 있는 전하를 띤 입자를 생성했다.^[1]

전기적 정보를 사용하여 가능한 중성미자 상호작용이 식별되고 추가 분석을 위해 선택되었다. 이는 유제 시트를 사진으로 현상하여 그들을 통과하는 입자가 남긴 모든 흔적이 작은 검은 점으로 나타나도록 하는 것을 의미했다. 이 점들을 연속적인 시트에 연결함으로써 각 입자가 취한 경로가 재구성되고 중성미자 상호작용 가능성이 식별되었다. 중성미자 상호작용의 특징적인 속성은 여러 흔적이 갑자기 나타나고 그들을 따라가는 흔적이 없다는 것이었다. 타우 중성미자는 몇 밀리미터 후 "꺾임"을 보이는 흔적 중 하나로 식별되었는데, 이는 타우 렙톤의 붕괴를 나타낸다.^[1]

결과

2000년 7월, DONUT 협력단은 타우 중성미자 상호작용의 첫 관측을 발표했다. 이 결과는 단 네 개의 사건을 기반으로 했지만, 신호는 예상 배경(0.34±0.05 사건)을 훨씬 초과했으며, 4×10⁻⁴의 $p$ -값을 가졌는데, 이는 약 3.5 시그마에 해당한다. 이는 일반적인 증명의 기준에는 미치지 못하지만, 입자가 존재할 것으로 예상되었기 때문에 일반적으로 받아들여졌다. 2008년 최종 보고서^[3]는 총 578개의 중성미자 사건 샘플에서 9개의 타우 중성미자 사건을 식별했다. 그 중요성은 힉스 보손을 제외하고 표준 모형의 유일하게 직접 관측되지 않았던 입자가 타우 중성미자였다는 사실에 있다.^[2]

결과 자체 외에도 DONUT은 고에너지 중성미자 검출을 위한 새로운 기술, 특히 핵유제 시트가 철 층과 섞여 상호작용 수가 증가하는 유제 구름 챔버의 유효성을 검증하는 데에도 기여했다.

같이 보기

각주

1 2 3 K. Kodama et al. (DONUT Collaboration) (2001). 《Observation of tau neutrino interactions》. 《Physics Letters B》 504. 218–224쪽. arXiv:hep-ex/0012035. Bibcode:2001PhLB..504..218D. doi:10.1016/S0370-2693(01)00307-0.
1 2 “Physicists Find First Direct Evidence for Tau Neutrino at Fermilab” (보도 자료). Fermilab. 2000년 7월 20일.
1 2 K. Kodama et al. (DONUT Collaboration) (2008). 《A first measurement of the interaction cross section of the tau neutrino》. 《Physical Review D》 78. 052002쪽. arXiv:0711.0728. Bibcode:2008PhRvD..78e2002K. doi:10.1103/PhysRevD.78.052002. S2CID 118667527.
↑ R. Schwienhorst et al. (DONUT Collaboration) (2001). 《A new upper limit for the tau-neutrino magnetic moment》. 《Physics Letters B》 513. 23–29쪽. arXiv:hep-ex/0102026. Bibcode:2001PhLB..513...23D. doi:10.1016/S0370-2693(01)00746-8.

외부 링크

DONUT 홈페이지
DONUT INSPIRE-HEP 실험 기록

[obs-1] 1 2 3 K. Kodama et al. (DONUT Collaboration) (2001). 《Observation of tau neutrino interactions》. 《Physics Letters B》 504. 218–224쪽. arXiv:hep-ex/0012035. Bibcode:2001PhLB..504..218D. doi:10.1016/S0370-2693(01)00307-0.

[PR-2] 1 2 “Physicists Find First Direct Evidence for Tau Neutrino at Fermilab” (보도 자료). Fermilab. 2000년 7월 20일.

[fin-3] 1 2 K. Kodama et al. (DONUT Collaboration) (2008). 《A first measurement of the interaction cross section of the tau neutrino》. 《Physical Review D》 78. 052002쪽. arXiv:0711.0728. Bibcode:2008PhRvD..78e2002K. doi:10.1103/PhysRevD.78.052002. S2CID 118667527.

[4] R. Schwienhorst et al. (DONUT Collaboration) (2001). 《A new upper limit for the tau-neutrino magnetic moment》. 《Physics Letters B》 513. 23–29쪽. arXiv:hep-ex/0102026. Bibcode:2001PhLB..513...23D. doi:10.1016/S0370-2693(01)00746-8.

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