Development of a guide system for free neutron oscillation searches at the European Spallation Source
(2023) PHYM01 20231Department of Physics
Faculty of Engineering, LTH
European Spallation Source ESS AB
- Abstract
- In this project, a neutron delivery system for the study of free neutron oscillations at the HIBEAM beamline at the European Spallation Source (ESS) has been developed. The HIBEAM experiment is part of a two-stage program at ESS which will address open questions in physics; specifically the nature of dark matter and the observed asymmetry between matter and antimatter in the Universe. This will be done through high-sensitivity searches for hypothetical free neutron oscillations to antineutrons and sterile neutrons, the latter being a candidate for dark matter. These oscillation processes violate baryon number conservation and so their observation could help explain the matter-antimatter asymmetry. The primary focus of this thesis was the... (More)
- In this project, a neutron delivery system for the study of free neutron oscillations at the HIBEAM beamline at the European Spallation Source (ESS) has been developed. The HIBEAM experiment is part of a two-stage program at ESS which will address open questions in physics; specifically the nature of dark matter and the observed asymmetry between matter and antimatter in the Universe. This will be done through high-sensitivity searches for hypothetical free neutron oscillations to antineutrons and sterile neutrons, the latter being a candidate for dark matter. These oscillation processes violate baryon number conservation and so their observation could help explain the matter-antimatter asymmetry. The primary focus of this thesis was the development of a guide system for the search for neutron to antineutron oscillations. A few different guiding systems were tried out and optimized, with the best performing setup consisting of an elliptic guide in the so called monolith and a 20 m long second elliptic guide which was constructed as an extension of the first one. It was shown that with this optimized setup at the HIBEAM beamline, an increased sensitivity for free neutron to antineutron conversion searches compared to previous experiments can be obtained. A guide system for neutron to sterile neutron searches was also developed. Two setups were tried in this case, which consisted of a curved guide together with two different monolith guides. Both guide systems are shown to be viable options for a search for sterile neutrons in their current state, however they could also function as a base for further optimization. (Less)
- Popular Abstract (Swedish)
- Några av de stora mysterierna inom fysik idag handlar om vad mörk materia egentligen är och varför det finns så mycket mer materia än antimateria i universum. Två av de planerade instrumenten vid ESS i Lund, HIBEAM och NNBAR, har som mål att försöka besvara dessa frågor genom att studera hypotetiska fria neutronoscillationer. I detta arbete har optiska guidesystem för neutroner på HIBEAMs strålstråk (”beamline”) tagits fram för att optimera chanserna att observera sådana oscillationer.
Neutronoscillationer är teoretiska processer som bryter mot bevarandet av baryonnummer, vilket är ett av villkoren som skulle kunna förklara asymmetrin mellan materia och antimateria. Genom att studera både neutronoscillationer till antineutroner och till... (More) - Några av de stora mysterierna inom fysik idag handlar om vad mörk materia egentligen är och varför det finns så mycket mer materia än antimateria i universum. Två av de planerade instrumenten vid ESS i Lund, HIBEAM och NNBAR, har som mål att försöka besvara dessa frågor genom att studera hypotetiska fria neutronoscillationer. I detta arbete har optiska guidesystem för neutroner på HIBEAMs strålstråk (”beamline”) tagits fram för att optimera chanserna att observera sådana oscillationer.
Neutronoscillationer är teoretiska processer som bryter mot bevarandet av baryonnummer, vilket är ett av villkoren som skulle kunna förklara asymmetrin mellan materia och antimateria. Genom att studera både neutronoscillationer till antineutroner och till hypotetiska s.k. sterila neutroner som är en kandidat till mörk materia kommer det tvådelade HIBEAM/NNBAR-programmet förhoppningsvis ta oss närmare en förståelse både för naturen av mörk materia och hur obalansen mellan materia och antimateria uppstod. Det första steget är HIBEAM, vars primära fokus är att söka efter sterila neutroner. Det kommer utföras på ett s.k. standard strålstråk vid ESS och ha en längd av ca 65 m. Nästa steg, NNBAR, är dedikerat till studier av neutron till antineutron-oscillationer och detta är ett större experiment, med längre strålstråk och större öppning för att extrahera neutroner. Även om HIBEAM främst kommer leta efter sterila neutroner skulle detta experiment också kunna användas för att studera neutron till antineutron-oscillationer, som ett test inför NNBAR.
I detta projekt har guidesystem för neutroner tagits fram för att studera både neutronoscillationer till antineutroner och till sterila neutroner på HIBEAMs strålstråk. Det huvudsakliga målet var att utveckla ett komplett guidesystem för neutron till antineutron- oscillationer. Guidesystemen bestod av en optisk guide i den så kallade monoliten samt en optisk komponent utanför denna. Monolitväggen fungerar som strålningsskydd runt det wolfram-hjul där högenergetiska protoner träffar och slår ut neutronerna som sedan används. Olika konfigurationer testades för att se vilken sammansättning som skulle ge den bästa känsligheten och parametrar för de optiska komponenterna optimerades. Det bästa alternativet var att i monoliten använda en asymmetrisk elliptisk guide, som tidigt kunde börja fokusera neutronerna till strålmålet 65 m bort och samtidigt fylla ut det mesta av det tillgängliga utrymmet. Denna användes tillsammans med en 20 m lång elliptisk guide, som konstruerades som en förlängning av den första guiden. Känsligheten som erhölls här, på ett standard strålstråk vid ESS, var högre än den som uppmätts för neutron till antineutron-oscillationer vid tidigare experiment.
Gällande guidesystem för att studera oscillationer från neutroner till sterila neutroner utvecklades en uppställning med en rak guide i monoliten tillsammans med en böjd, S-formad guide. S-guiden testades också tillsammans med den elliptiska monolitguiden använd tidigare. Båda dessa konfigurationer är väl presterande alternativ för sökandet efter sterila neutroner, men de kan också fungera som bas för ytterligare optimering.
Sammanfattningsvis så har ett guidesystem för att studera neutron till antineutron- oscillationer vid HIBEAM utvecklats, vilket kan etablera den bästa nuvarande känsligheten för denna typ av experiment. Detta demonstrerar därmed möjligheten och nyttan av att utföra denna studie redan vid HIBEAM, och intygar att ESS med sin oöverträffade intensitet av neutroner erbjuder goda förutsättningar för att studera fria neutronoscillationer. Ett guidesystem för att leta efter neutronoscillationer till sterila neutroner har även utvecklats, med två alternativ som båda fungerar i deras nuvarande skick men som också kan optimeras ytterligare för ännu bättre resultat. Förhoppningsvis kan detta lägga grunden för observationer av oscillationer mellan neutroner och antineutroner eller upptäckten av sterila neutroner vid ESS. (Less)
Please use this url to cite or link to this publication:
http://lup.lub.lu.se/student-papers/record/9126666
- author
- Björk, Linnéa LU
- supervisor
- organization
- course
- PHYM01 20231
- year
- 2023
- type
- H2 - Master's Degree (Two Years)
- subject
- keywords
- ESS, neutrons, dark matter, antimatter, neutron guides
- language
- English
- id
- 9126666
- date added to LUP
- 2023-06-19 14:53:11
- date last changed
- 2023-06-19 14:53:11
@misc{9126666,
abstract = {{In this project, a neutron delivery system for the study of free neutron oscillations at the HIBEAM beamline at the European Spallation Source (ESS) has been developed. The HIBEAM experiment is part of a two-stage program at ESS which will address open questions in physics; specifically the nature of dark matter and the observed asymmetry between matter and antimatter in the Universe. This will be done through high-sensitivity searches for hypothetical free neutron oscillations to antineutrons and sterile neutrons, the latter being a candidate for dark matter. These oscillation processes violate baryon number conservation and so their observation could help explain the matter-antimatter asymmetry. The primary focus of this thesis was the development of a guide system for the search for neutron to antineutron oscillations. A few different guiding systems were tried out and optimized, with the best performing setup consisting of an elliptic guide in the so called monolith and a 20 m long second elliptic guide which was constructed as an extension of the first one. It was shown that with this optimized setup at the HIBEAM beamline, an increased sensitivity for free neutron to antineutron conversion searches compared to previous experiments can be obtained. A guide system for neutron to sterile neutron searches was also developed. Two setups were tried in this case, which consisted of a curved guide together with two different monolith guides. Both guide systems are shown to be viable options for a search for sterile neutrons in their current state, however they could also function as a base for further optimization.}},
author = {{Björk, Linnéa}},
language = {{eng}},
note = {{Student Paper}},
title = {{Development of a guide system for free neutron oscillation searches at the European Spallation Source}},
year = {{2023}},
}