Study and detection of low energy neutrinos
Authors: Κατσιούλας Ιωάννης 
Published: August 2021

Η ιδέα της ανίχνευσης χαμηλής ενέργειας νετρίνων μέσω της σύμφωνης ελαστικής σκέδασης νετρίνου πυρήνα ιντριγκάρει την επιστημονική κοινότητα εδώ και δεκαετίες, αλλά ακόμα δεν έχει υλοποιηθεί. Η αλληλεπίδραση αυτή προβλέπεται από το Καθιερωμένο Πρότυπο και θεωρείται υπέρτερη κάθε άλλης αλληλεπιδράσης νετρίνων, λόγω της σημαντικής αύξησης της ενεργού διατομής κατά ένα παράγοντα του νετρονικού αριθμού του πυρήνα στο τετράγωνο (σε σύγκριση με την ελαστική σκέδαση νετρίνου νουκλεονίου). Πολλές ενδιαφέρουσες πηγές ανήκουν σε αυτή την κατηγορία νετρίνων, όπως τα νετρίνα από Υπερκαινοφανείς αστέρες, από πυρηνικούς αντιδραστήρες, Ηλιακά νετρίνα και Γεωνετρίνα. Η ανίχνευση των νετρίνων αυτών θα ανοίξει νέες πόρτες στη στοιχειώδη φυσική, στην αστροφυσική και την τεχνολογία νετρίνων. Επιπλέον οι πειραματικές προσπάθειες για την μέτρηση των νετρίνων χαμηλής ενέργειας είναι σημαντικές και για έναν άλλο τομέα έρευνας, αυτόν της ανίχνευσης Σκοτεινής Ύλης μέσω ελαστικών σκεδάσεων. Η ανίχνευση όμως νετρίνων, εκμεταλλευόμενοι την σύμφωνη ελαστική σκέδαση είναι μια απαιτητική διαδικασία, καθώς οι συνήθεις ανιχνευτές με μεγάλες ενεργές μάζες δεν έχουν ευαισθησία σε ανακρουόμενους πυρήνες με ενέργεια στην περιοχή των keV. Σε αυτή τη διατριβή προτείνεται η χρήση ενός καινοτόμου ανιχνευτή αερίου γεμίσματος, του Σφαιρικού Αναλογικού Απαριθμητή για την ανίχνευση των νετρίνων χαμηλής ενέργειας μέσω της σύμφωνης ελαστικής σκέδασης νετρίνου πυρήνα και μελετώνται η συνθήκες για να περατωθεί ένα τέτοιο έργο. Η μελέτη που έχει γίνει μπορεί να χωριστεί σε τρία μέρη; το πρώτο μέρος είναι η πειραματική ανίχνευση και η μέτρηση της απόκρισης του ανιχνευτή σε χαμηλής ενέργειας ανακρουόμενους πυρήνες. Το δεύτερο κομμάτι είναι η ανάπτυξη λογισμικού για την λεπτομερή περιγραφή της αλληλεπίδρασης ακτινοβολιών με την πειραματική διάταξη και της απόκρισης του ανιχνευτή σε αυτές. Το λογισμικό GEANT4 χρησιμοποιείται για την προσομοίωση της πειραματικής διάταξης και τον υπολογισμό της εναπόθεσης ενέργειας στο αέριο γέμισμα, καθώς και για να μελετηθεί η απόκριση της θωράκισης στις ακτινοβολίες υποβάθρου. Εκτός από την προσομοίωση με το GEANT4, έχει αναπτυχθεί μια καινούργια μέθοδος για τον υπολογισμό της μέσης ενέργειας ιονισμού και του παράγοντα Fano ενός μέσου. Η απόκριση του ανιχνευτή στις ιονιστικές ακτινοβολίες προσομοιώνεται με λογισμικό που έχει αναπτυχθεί βασισμένο στο GARFIELD++. Αυτό το λογισμικό χρησιμοποιείται για να προσομοιωθούν όλες οι φυσικές διαδικασίες που λαμβάνουν χώρα κατά τη λειτουργία του ανιχνευτή, όπως η ολίσθηση, η διάχυση και ο πολλαπλασιασμός των φορτίων, καθώς και η απόκριση των ηλεκτρονικών συστημάτων. Το τρίτο μέρος είναι η ανάπτυξη λογισμικού βασισμένο στην δυνατότητα που μας δίνει ο ανιχνευτής για διάκριση διαφόρων τύπων αλληλεπιδράσεων, μέσω ανάλυσης σχήματος παλμού. Τέλος, προτείνεται η κατασκευή ενός Σφαιρικού Αναλογικού Απαριθμητή, για την ανίχνευση νετρίνων ενός Υπερκαινοφανούς αστέρα. Η πειραματική διάταξη αποτελείται από έναν Σφαιρικό Αναλογικό Αναρίθμητη σε υψηλή πίεση, τοποθετημένο βαθιά κάτω από την γη, για την μείωση του υποβάθρου. Τέλος κάνωντας χρήση των μεθόδων που αναπτύχθηκαν κατά τη διάρκεια της διατριβής, προσομοιώνεται η απόκριση του ανιχνευτή σε ένα φάσμα νετρίνων Υπερκαινοφανούς αστέρα και υπολογίζεται η απόδοση του στην ανίχνευση των νετρίνων αυτών.