A determination of the backscattering probability of low-energy antiprotons

Resumen Técnico: Determinación de la Probabilidad de Retrodispersión de Antiprotones de Baja Energía

Planteamiento del Problema
En el experimento GBAR (Gravitational Behaviour of Antimatter at Rest), la sección eficaz de producción de anthidrógeno ($\bar{H}$) se determina midiendo el número de antiprotones ($\bar{p}$) que participan en reacciones de intercambio de carga con una nube de positronio. Un dato de entrada crítico para esta medición es el flujo preciso de antiprotones que entran en la cavidad de reacción. Este flujo se cuantifica típicamente mediante ejecuciones de "paso directo" (pass-through) donde los antiprotones atraviesan la cavidad y se aniquilan en un detector de placa de microcanales (MCPH) situado aguas abajo. Los productos de la aniquilación (piones cargados) resultantes son detectados por un sensor de semiconductor complementario de óxido metálico (CMOS), lo que permite inferir el recuento de antiprotones incidentes mediante calibración.

Una incertidumbre sistemática significativa surge de la posibilidad de que los antiprotones de baja energía (4–6 keV) no se aniquilen inmediatamente al impactar la superficie del MCP. En su lugar, podrían experimentar una dispersión de Coulomb de gran ángulo y ser "retrodispersados" (backscattered) desde el material antes de la aniquilación. Si ocurre la retrodispersión, el antiprotono podría aniquilarse aguas arriba (por ejemplo, en el tubo del haz) en lugar de en el MCP. Dado que el sensor CMOS está posicionado para detectar los productos de las aniquilaciones en el MCP, podría ser ciego a estos eventos de retrodispersión. Aunque las probabilidades de retrodispersión para electrones, positrones y protones están bien estudiadas, la probabilidad para antiprotones de baja energía es en gran medida desconocida y no puede inferirse directamente de otras partículas debido a la competencia única entre la dispersión de Coulomb, la pérdida de energía y la aniquilación específica de los antiprotones. Informes previos sugirieron potencialmente fracciones de retrodispersión elevadas, lo que, de ser cierto, requeriría una corrección a la calibración del flujo de antiprotones y a la sección eficaz de producción de $\bar{H}$ derivada.

Metodología
Para abordar esta incertidumbre, los autores realizaron una medición in-situ de la fracción de retrodispersión utilizando una configuración experimental dedicada dentro de la línea de haz de GBAR.

1. Configuración Experimental: El experimento utilizó un MCP móvil (MCPup) situado aguas abajo del decelerador ELENA. Un sensor CMOS, normalmente fijo sobre el MCPH de la cámara de reacción, fue reubicado temporalmente a una posición sobre el MCPup. El sensor se montó sobre un riel, lo que permitió posicionarlo a diversas distancias ($R$) del eje del haz, que oscilaban entre 9.3 cm y 94.3 cm. Se recolectaron datos a energías de haz de 4 keV, 6 keV y 100 keV durante ejecuciones en mayo y junio de 2025.
2. Principio de Medición: El núcleo del método reside en la dependencia geométrica de la señal en el sensor CMOS.
   • Los antiprotones que se aniquilan directamente en el MCP producen una señal en el sensor CMOS con una probabilidad $P_{annihil}(R)$ que escala aproximadamente como $1/R^2$ (aceptancia geométrica).
   • Los antiprotones que se retrodispersan y posteriormente se aniquilan en el tubo del haz aguas arriba del MCP producen una señal con una probabilidad $P_{back}(R)$. Debido a que el punto de aniquilación está desplazado aguas arriba (promediando ~9 cm en simulaciones), la aceptancia geométrica para estos eventos difiere de las aniquilaciones directas, particularmente a valores pequeños de $R$.
   • Al medir la variación del recuento de cúmulos (clusters) en el sensor CMOS como función de $R$, y compararlo con simulaciones, se puede extraer la fracción de antiprotones retrodispersados ($f_{back}$).
3. Simulación (GEANT4): Se realizaron simulaciones detalladas en GEANT4 (versión 11.3) para modelar la geometría de la línea de haz, el ensamblaje del MCPup (incluyendo anillos de soporte y recubrimientos) y el sensor CMOS.
   • Las simulaciones utilizaron la lista de física INCLXX para la aniquilación de antiprotones y el modelo WentzelVI para la dispersión electromagnética múltiple.
   • Parámetros como el límite del ángulo de dispersión ($\theta_{lim}$) y los cortes de rango (range cuts) se ajustaron para asegurar que la simulación de la distribución angular de las partículas retrodispersadas (que determina dónde impactan en el tubo del haz) fuera robusta, a pesar de que la predicción de la fracción absoluta de retrodispersión resultó ser altamente dependiente del modelo.
   • La simulación predijo las probabilidades $P_{annihil}(R)$ y $P_{back}(R)$ para diversas desviaciones del sensor y energías de haz.

Contribuciones Clave y Resultados

1. Límite Superior de Retrodispersión: Los datos experimentales (recuento de cúmulos vs. $1/R^2$) se ajustaron a las predicciones de GEANT4 utilizando un ajuste combinado para los conjuntos de datos de 4 keV/100 keV y 6 keV/100 keV. Los parámetros de ajuste incluyeron la fracción de retrodispersión, factores de normalización y parámetros de alineación geométrica (desplazamiento longitudinal y ángulo del riel).
   • Los resultados no mostraron evidencia de retrodispersión a 4 keV o 6 keV. La fracción de retrodispersión del mejor ajuste fue cero en ambos casos.
   • Se estableció un límite superior del 14% para la probabilidad de retrodispersión a 4 keV, y del 11.5% a 6 keV, ambos con un nivel de confianza del 68%.
2. Calibración del Detector CMOS: El estudio confirmó que la simulación describe correctamente la dependencia de $R$ de la señal. Al comparar los recuentos de cúmulos medidos con los monitores de intensidad del haz de ELENA, se derivó un factor de calibración.
   • El análisis reveló que la simulación subestimaba el número absoluto de cúmulos en aproximadamente un 7.4% (atribuido a incertidumbres en la normalización de Monte Carlo o la eficiencia del detector).
   • Se asignó una incertidumbre sistemática del 5% al factor de calibración del CMOS para contabilizar posibles diferencias en las fracciones de retrodispersión entre la ubicación de la medición (MCPup) y la ubicación de producción (MCPH), asumiendo un rango conservador de 0–20% para las fracciones desconocidas.
3. Evaluación de la Incertidumbre Sistemática: El artículo cuantifica el impacto de la retrodispersión en la determinación del flujo de antiprotones. Incluso con una fracción de retrodispersión hipotética del 20%, la variación resultante en el factor de calibración se limita al 5%. La incertidumbre sistemática total sobre el número de antiprotones incidentes se estima en ~8.4%, dominada por las incertidumbres de posición del haz y errores de los monitores de intensidad, más que por la retrodispersión.

Significancia
El artículo establece que la suposición de aniquilación inmediata de los antiprotones de baja energía en las superficies de los MCP es válida dentro de la precisión requerida para el experimento GBAR. Al establecer un límite estricto para la probabilidad de retrodispersión, el estudio elimina una fuente importante de error sistemático potencial en la determinación de la sección eficaz de producción de antihidrógeno. El trabajo demuestra que la fracción de retrodispersión es lo suficientemente insignificante como para no degradar significativamente la precisión de la medición del flujo de antiprotones, apoyando así la fiabilidad de los resultados de GBAR respecto al comportamiento gravitatorio de la antimateria. La metodología de utilizar la variación de la señal dependiente de la distancia para aislar los efectos de retrodispersión se presenta como una técnica robusta para futuros experimentos de antiprotones de baja energía.