Studies of the HIBEAM Neutron Detector for Axion-Like Particle Searches at the European Spallation Source

Abstract

The HIBEAM experiment ventures to measure the theorized coupling between neutron spins and an effective oscillating field caused by axion-like particles. The experiment will use Ramsey interferometry to probe shifts in neutron polarization due to discrepancies in the Larmor frequency of the traveling neutron. To realize a successful experiment, a prototype beamline named the short-HIBEAM will be built.
This thesis focuses on the investigation of background radiation in the neutron detector, a He3 proportional counter, within the short-HIBEAM setup. The analysis is conducted using Geant4 simulations.
The results suggest a high absorption rate of cold neutrons in the detector, but not a complete absorption, indicating the possible need for further optimization, such as a higher concentration of He3 gas. Although the flux of fast neutrons,energy ($>1$ MeV), is substantial and present throughout all regions of the detector, it remains within acceptable margins established by previous experiments conducted using the detector.
Furthermore, the gamma-radiation background levels are tolerable, with a prominent peak at ~7.75 MeV originating from neutron capture in aluminum.

Popular Abstract (Swedish)

Människan har alltid blickat upp mot stjärnorna. Natthimmelen gav de tidiga människorna inspiration till myter och det gudomliga; en känsla av förundran i den urgamla världens mörka verklighet. Människan har aldrig slutat att titta upp och än idag kan man blicka mot himlen och förundras över hur ofattbart stort allting är, och hur små vi är i jämförelse till universum. Med moderna observationsverktyg kan vi titta noggrannare än någonsin tidigare, men det verkar som att något är fel bland de samlingar av stjärnor och materia som vi kallar galaxer. Galaxer snurrar i en skivliknande form, men de snurrar alldeles för snabbt enligt våra nuvarande matematiska modeller. Med deras nuvarande rotationshastighet borde materian kastas ut i rymden, och inga galaxer borde kunna bildas. Dessutom verkar ljuset som vi observerar universum med böjas runt... någonting? Detta "något" verkar genomsyra vårt universum, men vad är det egentligen?

Det osynliga "något" jag syftade på behöver inte vara så skrämmande som jag kanske fick det att låta. Det är dock viktigt att påpeka dess existens, eftersom våra vetenskapliga teorier ännu inte har kunnat förklara de fenomen vi observerat. Vi vet att mörk materia, som vi kallar det, beter sig som osynlig materia. Materia är förstås det vi alla består av --- byggstenarna i universum. Från den minsta myran till den största stjärnan, allt är gjort av materia. Mörk materia skapar en gravitationskraft, precis som all annan materia, vilket böjer ljuset och hjälper till att hålla ihop galaxerna. Det faktum att den är osynlig är av stort intresse, eftersom det tyder på att ljus helt enkelt passerar rakt igenom den. Det kan till och med vara så att mörk materia inte interagerar med någonting annat än själva tidsrummets struktur --- den duk på vilken kosmos är målad. Detta öppnar ett helt fält av outforskad fysik som partikelfysiker gärna kastar sig in i.

Även om mörk materia är mycket svårfångad betyder det inte att människan ska ge upp jakten. Det finns flera teorier och experiment som försöker "belysa" den, så att säga. Flera teorier hävdar att mörk materia består av partiklar med mycket låg massa, som inte interagerar med ljus. Ett exempel på en sådan liten partikel är axionen och den skulle faktiskt kunna vara beståndsdelen av mörk materia. Dock har man aldrig sett en axion innan, man tror bara att den finns för att vissa matematiska teorier tyder på att den kan göra det. För att hitta axioner behövs då ett experiment, ett exempel på ett experiment som letar efter axioner använder sig av teorin om att axioner kan interagera med neutroner, något som kan detekteras med mycket känslig utrustning i en kontrollerad miljö. Det föreslagna experimentet för kallas "Short High Intensity Baryon Extraction And Measurement collaboration" vid "European Spallation Source" (förkortat HIBEAM vid ESS), där man skjuter miljontals neutroner och observerar hur deras egenskaper förändras över lång tid, ofta mer än ett år. Förändringarna skulle då kunna peka på en liten osynlig partikel som interagerar med neutronerna och ändrar deras beteende. Detta skulle då vara bevis för axionens existens och därmed en stark mörk materia kandidat. Det intressanta med denna teori är att de axioner som genomsyrar vårt universum skulle bete sig som ett enormt hav med vågor som sträcker sig över hela galaxer. Det vore som om vår blå planet vore ett litet fartyg i ett stort vatten.

Målet med mitt projekt är att simulera en neutron detektor som kommer placeras i slutet av short-HIBEAM, en prototyp av den framtida större HIBEAM. Neutron detektorer är intressanta av många skäl men fokuset för mig ligger i bakgrundsstrålningen som kan produceras i detektorn. Det är nämligen så att när partiklar färdas i en detektor så sker en mängd reaktioner mellan dem och det omgivande materialet. I många av dessa reaktioner kan det produceras restprodukter, som till exempel hög-energiska ljus-partiklar. Dessa är ett problem att ha i en detektor, för att de kan rubba mätningar och förstöra känsligheten i experimentet. Dessa ljus-partiklar är något jag vill undersöka och se om mängden som produceras i detektorn kommer vara ett problem. En annan sak jag kollar på är väldigt snabba neutroner. När detektorn är igång så blir den bombarderad av väldigt många neutroner med en mängd olika hastigheter. De snabbaste av dessa är intressanta för de kan faktiskt förstöra vissa typer av detektorer genom att krocka in i saker och skada dem. Ett annat mål är därför att kolla så att mängden av dessa snabba neutroner inte kommer orsaka problem i det framtida experimentet.

• author: Henriksson Nordqvist, Hugo
• supervisor: Valentina Santoro; Linus Persson
• organization: Particle and nuclear physics; Department of Physics
• course: FYSK04 20251
• year: 2025
• type: M2 - Bachelor Degree
• subject: Physics and Astronomy
• keywords: Simulation, Neutron Detector, ESS, HIBEAM, short-HIBEAM, HIBEAM/NNBAR, Dark matter, axion, axion dark matter, Ramsey interferometry
• language: English
• id: 9202314
• date added to LUP: 2025-06-23 13:05:34
• date last changed: 2025-06-23 13:05:34