⚛️ high-energy experiments

Muon Detection and Direction Reconstruction with the Upgraded 1-ton Water Cherenkov Prototype Detector at CJPL-I

El prototipo de detector Cherenkov de agua de 1 tonelada actualizado en el Laboratorio Subterráneo de China Jinping (CJPL-I) demostró un aumento del 59% en la eficiencia de detección de muones y una reducción del 70% en la incertidumbre de reconstrucción de dirección, midiendo con éxito el flujo de muones subterráneos e identificando un raro evento de muón ascendente para permitir futuros estudios inducidos por neutrinos.

Autores originales: Yapeng Wang, Yuzi Yang, Shaomin Chen, Wei Dou, Haoyang Fu, Guanghua Gong, Lei Guo, Ziyi Guo, XiangPan Ji, Jianmin Li, Jinjing Li, Bo Liang, Ye Liang, Ling Liu, Qian Liu, Zhiyi Liu, Wentai Luo, Ming Qi

Publicado 2026-09-29

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CC BY 4.0

Autores originales: Yapeng Wang, Yuzi Yang, Shaomin Chen, Wei Dou, Haoyang Fu, Guanghua Gong, Lei Guo, Ziyi Guo, XiangPan Ji, Jianmin Li, Jinjing Li, Bo Liang, Ye Liang, Ling Liu, Qian Liu, Zhiyi Liu, Wentai Luo, Ming Qi, Wenhui Shao, Haozhe Sun, Jian Tang, Yuyi Wang, Zhe Wang, Changxu Wei, Jun Weng, Yiyang Wu, Benda Xu, Chuang Xu, Tong Xu, Tao Xue, Haoyan Yang, Aiqiang Zhang, Bin Zhang, Xinshun Zhang, Yang Zhang, Zhicai Zhang, Lin Zhao, Yangheng Zheng

Artículo original bajo licencia CC BY 4.0 (http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/). ✨ Esta es una explicación generada por IA del artículo a continuación. No ha sido escrita ni avalada por los autores. Para mayor precisión técnica, consulte el artículo original. Leer descargo de responsabilidad completo

En lo profundo de las montañas de la provincia de Sichuan, en China, se encuentra el laboratorio subterráneo más profundo del mundo, un lugar donde la roca superior es tan gruesa que bloquea casi toda la radiación natural y las partículas que llueven desde el espacio. Esta inmensa profundidad crea un entorno silencioso y oscuro donde los científicos pueden escuchar los susurros más tenues del universo, como las esquivas partículas llamadas neutrinos, que rara vez interactúan con la materia. Para escuchar estos susurros, los investigadores deben primero comprender el ruido de fondo, que proviene principalmente de los muones de rayos cósmicos. Estos muones son partículas de alta velocidad creadas cuando los rayos cósmicos chocan con la atmósfera; pueden imitar las señales que los científicos buscan o crear otras partículas radiactivas que saturan los datos. Al medir exactamente cuántos muones llegan al fondo de la mina y de dónde vienen, los científicos pueden diseñar mejores escudos y filtros para proteger sus experimentos sensibles, asegurando que lo que detecten sea verdaderamente un nuevo descubrimiento y no solo un impostor cósmico.

En el Laboratorio Subterráneo China Jinping, un equipo de investigadores completó recientemente una actualización significativa de un pequeño prototipo de detector de una tonelada diseñado para estudiar estos muones. Construido originalmente para probar tecnologías para un experimento futuro mucho más grande, este dispositivo fue remodelado recientemente para mejorar su capacidad de captar y rastrear estas partículas de movimiento rápido. Los investigadores reemplazaron los antiguos sensores de luz dentro del tanque con sesenta tubos nuevos y altamente sensibles y rediseñaron la estructura interna para sostenerlos. Luego llenaron el detector con agua en lugar del centelleador líquido que había utilizado antes, convirtiendo el tanque en un detector Cherenkov de agua. En esta configuración, cuando un muón atraviesa el agua más rápido de lo que la luz viaja a través de esa misma agua, crea un tenue cono de luz azul, similar al estallido sónico creado por un jet al romper la barrera del sonido. Los nuevos sensores están diseñados para captar esta luz, permitiendo al equipo contar los muones y determinar su dirección con mucha mayor precisión que antes.

A lo largo de varios meses, el detector operó en dos fases distintas, primero sin un escudo especial para bloquear la luz y más tarde con uno instalado para bloquear la luz parásita del agua fuera del área principal de visión. Al analizar los datos recopilados durante estos períodos, el equipo descubrió que el detector actualizado era notablemente eficiente. En la segunda fase, con el nuevo blindaje en su lugar, el detector identificó con éxito los muones con una eficiencia casi un sesenta por ciento mayor que la versión anterior del experimento. El equipo calculó que el número de muones que pasan a través del detector es aproximadamente de 3.55 por centímetro cuadrado cada segundo, un resultado que coincide perfectamente con mediciones anteriores realizadas en el mismo lugar utilizando equipos diferentes. Este acuerdo confirma que la nueva tecnología basada en agua es confiable y proporciona una verificación valiosa para la comunidad científica.

Quizás el desarrollo más emocionante fue la capacidad del detector para localizar la dirección de estas partículas. Debido a que los nuevos sensores son más numerosos y cubren más superficie del tanque, y debido a que los investigadores desarrollaron una forma más inteligente de comparar el tiempo y el brillo de los impactos de luz, pudieron reconstruir la trayectoria de un muón con una incertidumbre de solo unos seis grados. Esta es una mejora dramática, reduciendo el margen de error a solo un treinta por ciento de lo que era en el pasado. Este nivel de precisión es crucial porque permite a los científicos distinguir entre los muones que vienen de arriba, que son comunes, y aquellos que vienen de abajo, que son extremadamente raros.

Durante la recolección de datos, el equipo detectó un evento muy inusual: un muón que parecía viajar hacia arriba, emergiendo de la roca debajo del detector. Mientras que los muones de rayos cósmicos siempre son empujados hacia abajo por la gravedad y la atmósfera, un muón moviéndose hacia arriba sugiere que fue creado por un neutrino interactuando con la roca o el agua debajo del detector y disparando un muón de regreso hacia arriba a través del tanque. Los investigadores verificaron cuidadosamente este evento contra todos los posibles errores y el ruido de fondo, encontrando que la probabilidad de que fuera un error o una partícula que se movía hacia abajo y fue mal identificada era de menos de una en diez mil. Este único evento marca la primera vez que tal partícula inducida por neutrinos ha sido claramente identificada en este laboratorio, abriendo una nueva ventana para el estudio de estas partículas fantasmales. El éxito de este detector de agua actualizado demuestra que un sistema basado en agua y de bajo costo puede medir eficazmente los rayos cósmicos y detectar eventos de neutrinos, allanando el camino para los detectores más grandes y potentes planeados para el futuro.

Resumen Técnico: Detección de Muones y Reconstrucción de Dirección con el Detector Prototipo de Agua de 1 tonelada Mejorado en CJPL-I

Problema y Contexto
El Experimento de Neutrinos de Jinping (JNE), ubicado en el Laboratorio Subterráneo de China Jinping (CJPL-I) bajo una cobertura de roca de 2400 m, tiene como objetivo estudiar neutrinos de la escala MeV. Un desafío crítico para tales experimentos es la mitigación de los fondos inducidos por muones de rayos cósmicos, que pueden imitar señales de neutrinos o producir isótopos radiactivos de larga vida. Si bien el prototipo anterior JNE-1ton operó con éxito como un detector de centelleador líquido (LS), validando la viabilidad técnica del experimento a gran escala, existía la necesidad de probar la técnica de detección de Cherenkov en agua, un candidato potencial para futuros detectores de gran escala en CJPL-II. Además, mejorar la precisión de las mediciones del flujo de muones y la reconstrucción de la dirección es esencial para optimizar las estrategias de blindaje y permitir la radiografía de muones.

Metodología y Mejoras
Este trabajo presenta datos del prototipo JNE-1ton mejorado, el cual fue sometido a un rediseño integral de hardware antes de operar en modo de agua durante dos periodos distintos: Agua-I (85 días) y Agua-II (79 días).

Hardware del Detector: La estructura de soporte mecánico fue rediseñada para acomodar un aumento en las tubos fotomultiplicadores (PMTs) de 30 a 60. Los PMTs Hamamatsu R5912 originales fueron reemplazados por PMTs de placa de microcanal (MCP-PMTs) de 8 pulgadas de North Night Vision. Esto duplicó la cobertura del fotocátodo.
Configuración de Blindaje: Una mejora significativa en la fase de Agua-II fue la instalación de un blindaje de polietileno (PE) negro alrededor de la estructura de soporte de los PMTs. Este blindaje bloquea la luz Cherenkov generada en la región del búfer de agua fuera del recipiente central de acrílico, aislando eficazmente el volumen de detección.
Adquisición de Datos: El detector utilizó placas de digitalización de forma de onda CAEN V1751 Flash ADC. La lógica de disparo varió según la fase: Agua-I requería al menos 10 impactos simultáneos de PMT, mientras que Agua-II requería solo 4, lo que refleja la mejora en la relación señal-ruido proporcionada por el blindaje negro.
Técnicas de Análisis:
- Selección de Muones: En Agua-I, los muones se identificaron mediante una alta multiplicidad de PMTs disparados (≥51), debido a que la falta de blindaje dificultaba la separación basada en energía. En Agua-II, los muones se seleccionaron basándose en la energía visible (>500 fotoelectrones), ya que el blindaje proporcionó una separación clara de los fondos radiactivos.
- Reconstrucción de Dirección: Se empleó un método basado en plantillas (templates), utilizando una métrica de distancia generalizada que combina la información de tiempo y carga (PE) por cada PMT. Para abordar los patrones de impacto dispersos en la fase de agua, se adoptó un enfoque de verosimilitud marginal, permitiendo la comparación entre eventos y plantillas con canales disparados parcialmente superpuestos.
- Eficiencia y Simulación: La eficiencia de detección se evaluó utilizando simulaciones de Monte Carlo adaptadas a la nueva geometría, incluyendo el arreglo de 60 PMTs y el blindaje negro. Las incertidumbres sistemáticas se evaluaron con respecto al posicionamiento de los PMTs, la eficiencia de detección de fotones (PDE), la longitud de absorción del agua y las tolerancias del blindaje.

Resultados Clave

Medición del Flujo de Muones: El flujo de muones medido combinado a través de ambas fases de agua es $\phi_{I+II} = (3.55 \pm 0.43_{stat} \pm 0.28_{syst}) \times 10^{-10} \text{ cm}^{-2}\text{s}^{-1}$ . Este resultado es consistente con mediciones previas en CJPL-I utilizando el detector de centelleador líquido.
Eficiencia de Detección: La eficiencia de detección de muones en la fase de Agua-II resultó ser aproximadamente un 59% mayor que la del detector de centelleador líquido previo a la mejora. Este incremento se atribuye al volumen de detección efectivo ampliado proporcionado por la región de agua encerrada por el blindaje negro, lo que permite la detección de muones que fallan el recipiente central de acrílico pero atraviesan el agua circundante.
Reconstrucción de Dirección: La resolución angular para la reconstrucción de la dirección de los muones mejoró a aproximadamente $6^\circ$ (definida como el ángulo de contención del 68.3%). Esto representa una reducción al 30% del valor anterior (una mejora de un factor de ~3.4) logrado con el método de solo tiempo en la configuración de 30 PMTs. La mejora es impulsada por el aumento en la cobertura de PMTs y la inclusión de la información de carga en el algoritmo de reconstrucción.
Candidato a Muón Ascendente: Se identificó claramente un evento raro de un muón ascendente en los datos de Agua-II. El evento pasó todos los criterios de selección, exhibió una topología de luz Cherenkov consistente con una trayectoria ascendente (entrada por la parte inferior, salida por la superior) y arrojó un ángulo cenital reconstruido de $125.4^\circ$ . El análisis estadístico indica que este evento es inconsistente con un muón de rayos cósmicos descendente mal reconstruido con un nivel de confianza del 99.99% ( $3.7\sigma$ ).

Significancia y Reivindicaciones
Los autores afirman que este trabajo marca la primera vez que CJPL ha empleado un detector de agua rentable para la medición del flujo de muones. La principal significancia del artículo radica en:

Validación Tecnológica: Demostrar con éxito la técnica de detección Cherenkov en agua en un entorno profundo subterráneo, proporcionando una validación crucial para futuros detectores de neutrinos a gran escala planeados para CJPL-II.
Mejora del Rendimiento: Mostrar que la configuración mejorada del detector (específicamente el aumento en el número de PMTs y el blindaje negro) mejora significativamente la eficiencia de detección de muones y la precisión de la reconstrucción de la dirección en comparación con la configuración previa de centelleador líquido.
Nueva Ventana a la Física: La identificación de un candidato a muón ascendente abre una nueva ventana para el estudio de eventos inducidos por neutrinos en CJPL. Dado que los muones de rayos cósmicos a esta profundidad son exclusivamente descendentes, la detección de un muón ascendente sirve como una firma de interacciones de neutrinos en la roca o el agua debajo del detector. Este evento se excluye del cálculo del flujo, pero sirve como una prueba de concepto para estudios de eventos inducidos por neutrinos utilizando la técnica de detección Cherenkov en agua.

El artículo concluye que el JNE-1ton mejorado ha demostrado un rendimiento fiable en la detección de muones y la reconstrucción de la dirección, proporcionando una verificación independiente de los resultados existentes de centelleador líquido y estableciendo la viabilidad de la tecnología de detección Cherenkov en agua para el Experimento de Neutrinos de Jinping.

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