Двойной чуц - Double Chooz

Логотип Double Chooz

Двойной чуц это короткая базовая линия осцилляция нейтрино эксперимент в Chooz, Франция. Его цель - измерить или установить предел θ₁₃ угол смешивания, параметр осцилляции нейтрино, ответственный за изменение электронные нейтрино в другие нейтрино. В эксперименте используются реакторы Атомная электростанция Chooz в качестве источника нейтрино и измеряет поток нейтрино, которые они получают. Для этого у Double Chooz есть набор из двух детекторов, расположенных в 400 и 1050 метрах от реакторов. Double Chooz является преемником Chooz эксперимент; один из его детекторов занимает то же место, что и его предшественник. До января 2015 года все данные собирались только дальним детектором. Детектор ближнего света был завершен в сентябре 2014 года после задержки строительства.^[1] и принимает данные по физике с начала 2015 года.

Конструкция детектора

Double Chooz использует два идентичных жидких сцинтилляторных детектора, легированных гадолинием.^[2] размещен рядом с двумя тепловыми реакторами мощностью 4,25 ГВт для измерения исчезновения антинейтрино. Два детектора метко названы «рядом», в 400 метрах от реактора; и «далеко», 1050 метров от реактора. Дальний детектор размещен внутри холма, так что есть 300-метровый водный эквивалент защиты от космических мюонов. Сам детектор представляет собой калориметрическую жидкость. сцинтиллятор состоящий из четырех концентрических цилиндрических сосудов.^[3][4]

Мишень нейтрино и γ-ловушка

Самый внутренний сосуд сделан из акриловый пластик и имеет диаметр 230 см, высоту 245,8 см и толщину 0,8 см. Эта камера заполнена 10 000 литров жидкого сцинтиллятора, загруженного гадолинием (Gd) (1 грамм / литр); это нейтринная мишень. Следующий слой - улавливатель гамма-излучения. Он окружает нейтринную мишень слоем жидкого сцинтиллятора без Gd толщиной 55 см. Корпус γ-ловителя имеет толщину 12 см и изготовлен из того же материала, что и нейтринный ловушка. Материалы выбраны так, чтобы оба этих сосуда были прозрачны для фотонов с длиной волны более 400 нм.^[3][4]

Буферная емкость и ФЭУ

Буферная емкость изготовлена ​​из нержавеющей стали 304L с размерами 552,2 см в ширину, 568,0 см в высоту и 0,3 см в толщину. Остальная часть внутреннего пространства, не занятая двойным акриловым сосудом, заполнена несверкающим минеральным маслом. На внутренней поверхности буферной емкости расположены 390 10-дюймовые фотоумножители. Назначение буферного слоя - защита от радиоактивного излучения ФЭУ и окружающей породы. Эти слои в дополнение к нейтринной мишени и γ-уловителю вместе именуются «внутренним детектором». ^[3][4]

Внутренние и внешние вето

Внутреннее вето окружает буферный сосуд слоем искрящегося минерального масла толщиной 50 см. Кроме того, он имеет 78 8-дюймовых ФЭУ, распределенных сверху, снизу и по бокам. Этот внутренний слой вето служит активным слоем вето для мюонов и быстрых нейтронов. Окружающий стальной корпус толщиной 15 см дополнительно служит для защиты от внешних γ-лучей. Внешнее вето закрывает верхнюю часть резервуара детектора. Он состоит из полос с поперечным сечением 5 см х 1 см, уложенных в ортогональных направлениях.^[3][4]

Сбор информации

Сигналы от внутреннего детектора и внутреннего вето записываются 8-битным флэш-АЦП электроника с частотой дискретизации 500 МГц. Порог срабатывания детекторов установлен на 350 кэВ, что намного ниже 1,02 МэВ, ожидаемых от электронных антинейтрино.^[3][4]

В течение нескольких лет Double Chooz работал только с дальним детектором и использовал такие модели, как Bugey4, для расчета ожидаемого потока. Завершенный ближний детектор позволит повысить точность сбора данных в следующие годы.

Экспериментальные техники

Смешивание нейтрино

Нейтрино электрически нейтральные, чрезвычайно легкие частицы, которые слабо взаимодействуют друг с другом, что означает, что они могут путешествовать на огромные расстояния, не будучи замеченными. Одно из свойств нейтрино состоит в том, что при распространении они имеют шанс колебаться от одного аромата (${\displaystyle e,\mu ,\tau }$) к другому, и это принцип, в соответствии с которым работает эксперимент. Цель Double Chooz - более жестко ограничить ценность ${\displaystyle \theta _{13}}$ угол смешивания.

В Chooz эксперимент, выполненные в 1990-х годах, обнаружили, что ${\displaystyle \theta _{13}}$ угол смешивания сдерживается

${\displaystyle \sin ^{2}(2\theta _{13})<0.2}$

что было лучшим экспериментальным верхним пределом за более чем десятилетие. Цель эксперимента Double Chooz - продолжить изучение ${\displaystyle \theta _{13}}$ угол, прощупывая еще меньшую область

${\displaystyle 0.03<\sin ^{2}(2\theta _{13})<0.2}$

Наблюдения за углом смешивания осуществляются путем наблюдения за ${\displaystyle {\bar {\nu }}_{e}}$ поток, который выходит из реакторов во время их реакции деления. Ожидаемый ${\displaystyle {\bar {\nu }}_{e}}$ поток из реакторов составляет около 50 в сутки. Потому что один из разность квадратов массы нейтрино намного меньше, чем другой, эксперимент Double Chooz должен учитывать только двухцветное колебание. В модели двух ароматов вероятность выживания любого нейтрино моделируется следующим образом:

${\displaystyle P=1-\sin ^{2}(2\theta _{13})\,\sin ^{2}\left({\frac {1.27\Delta m_{31}^{2}L}{E_{\nu }}}\right)\quad \mathrm {(in\;natural\;units).} }$

Здесь ${\displaystyle L}$ это длина в метрах, которую прошло нейтрино, и ${\displaystyle E_{\nu }}$ это энергия ${\displaystyle {\bar {\nu }}_{e}}$ частица. Отсюда значение угла смешивания может быть измерено по амплитуде колебаний в реакторных нейтринных осцилляциях.^[4]

Наблюдения

Нейтрино от реактора наблюдаются через обратный бета-распад (IBD) процесс

${\displaystyle {\bar {\nu }}_{e}+p\to e^{+}+n.}$^[4]

Поскольку есть предпосылки для рассмотрения, кандидаты на (IBD) определяются следующим образом: видимая энергия мгновенного сигнала должна быть между 0,5 и 20 МэВ; задержанный сигнал должен иметь энергию от 4 до 10 МэВ; разница во времени между этими двумя сигналами должна составлять от 0,5 до 150 микросекунд; расстояние между вершинами двух сигналов должно быть не более 100 см; и никакие другие сигналы (кроме задержанного сигнала) не обнаруживаются за 200 микросекунд до или через 600 микросекунд после сигнала подсказки. Обнаружение быстрого сигнала достигло почти 100% эффективности, однако обнаружить задержанный сигнал не так просто из-за таких проблем, как модели концентрации Gd и рассеяния нейтронов.^[4]

Полученные результаты

Угол смешивания

В ноябре 2011 г. первые результаты эксперимента были представлены на конференции LowNu в г. Сеул, намекая на ненулевое значение θ₁₃.^[5][6]В статье 2012 года с данными за 228 дней θ₁₃ была измерена, и гипотеза об отсутствии колебаний была исключена при 2,9 сигма.^[7]

Захват нейтронов водородом был использован для получения независимых данных, которые были проанализированы для получения отдельного измерения в 2013 году:^[8]

${\displaystyle \sin ^{2}(2\theta _{13})=0.097\pm 0.034\,\mathrm {(stat)} \pm 0.034\,\mathrm {(syst)} .}$

Использование данных об отключенном реакторе, независимое от фона измерение^[9] был опубликован в июле 2014 г. в Письма по физике B:

${\displaystyle \sin ^{2}(2\theta _{13})=0.102\pm 0.028\,\mathrm {(stat)} \pm 0.033\,\mathrm {(syst)} .}$

Улучшенное измерение с уменьшенным фоном и систематическими неопределенностями после 467,90 дней данных было опубликовано в Журнал физики высоких энергий в 2014:^[4]

${\displaystyle \sin ^{2}(2\theta _{13})=0.090_{-0.029}^{+0.032}.}$

Другие результаты

Double Chooz смог идентифицировать позитроний образование в их детекторе, что задерживает позитрон аннигиляция и искажает сцинтилляционный сигнал.^[10] Был разработан алгоритм маркировки, который можно было использовать в детекторах нейтрино для улучшения подавления фона, что аналогично было сделано Borexino для космогенных ¹¹C фон. Время жизни ортопозитрония 3.68±0,15 нс был измерен, совместим с другими специализированными установками.

Также были установлены ограничения на параметры нарушения Лоренца.^[11]

Библиография

• Apollonio, M .; и другие. (2003). «Поиск осцилляций нейтрино на длинной базе на АЭС ЧООЗ». Европейский физический журнал C. 27 (3): 331–374. arXiv:hep-ex / 0301017. Bibcode:2003EPJC ... 27..331A. Дои:10.1140 / epjc / s2002-01127-9.
• Ardellier, F .; и другие. (2006). "Double Chooz: поиск угла смешения нейтрино θ₁₃". arXiv:hep-ex / 0606025.
• Huber, P .; и другие. (2006). «От Double Chooz к Triple Chooz - физика нейтрино на реакторном комплексе Chooz». Журнал физики высоких энергий. 0605 (72): 072. arXiv:hep-ph / 0601266. Bibcode:2006JHEP ... 05..072H. Дои:10.1088/1126-6708/2006/05/072.

Рекомендации

1. «Торжественное открытие второго детектора нейтрино для эксперимента Double Chooz». 25 сентября 2014 г.
2. Л, Микаелян и; В, Синев (2000). «Колебания нейтрино в реакторах: что дальше?». Физика атомных ядер. 63 (6): 1002. arXiv:hep-ex / 9908047. Bibcode:2000ПАН .... 63.1002М. Дои:10.1134/1.855739.
3. Ardellier, F .; и другие. (2006). "Double Chooz: поиск угла смешения нейтрино θ₁₃". arXiv:hep-ex / 0606025. Bibcode:2006hep.ex .... 6025G.
4. Abe, Y .; и другие. (Сотрудничество Double Chooz) (2014). «Улучшенные измерения угла смешивания нейтрино θ₁₃ с детектором Double Chooz ». Журнал физики высоких энергий. 2014 (10): 86. arXiv:1406.7763. Bibcode:2014JHEP ... 10..086A. Дои:10.1007 / JHEP10 (2014) 086.
5. Эрве де Керрет: «Первые результаты эксперимента с двойным чуном», выступление на конференции LowNu, Сеул, ноябрь 2011 г., через: "Первые результаты от Double Chooz". Архивировано из оригинал на 2011-11-12. Получено 2011-11-10.
6. Y, Эйб; и другие. (Сотрудничество с Double Chooz) (28 марта 2012 г.). «Указание на исчезновение реакторных электронных антинейтрино в эксперименте Double Chooz». Письма с физическими проверками. 108 (19): 131801. arXiv:1112.6353. Bibcode:2012ПхРвЛ.108м1801А. Дои:10.1103 / PhysRevLett.108.131801. PMID  22540693.
7. Abe, Y .; и другие. (Сотрудничество Double Chooz) (18 сентября 2012 г.). «Исчезновение реактора ν¯e в эксперименте Double Chooz». Физический обзор D. 86 (5): 052008. arXiv:1207.6632. Bibcode:2012PhRvD..86e2008A. Дои:10.1103 / PhysRevD.86.052008.
8. Abe, Y .; и другие. (Сотрудничество Double Chooz) (2012). "Первое измерение θ₁₃ от отложенного захвата нейтронов водородом в эксперименте с двойным чуном ». Письма по физике B. 723 (1–3): 66–70. arXiv:1301.2948. Bibcode:2013ФЛБ..723 ... 66А. Дои:10.1016 / j.physletb.2013.04.050.
9. Abe, Y .; и другие. (Сотрудничество Double Chooz) (2014). "Независимое от фона измерение θ₁₃ в Double Chooz ". Письма по физике B. 735: 51–56. arXiv:1401.5981. Bibcode:2014ФЛБ..735 ... 51А. Дои:10.1016 / j.physletb.2014.04.045.
10. Abe, Y .; и другие. (Double Chooz Collaboration) (октябрь 2014 г.). «Наблюдение ортопозитрония в эксперименте Double Chooz». Журнал физики высоких энергий. 2014 (10): 32. arXiv:1407.6913. Bibcode:2014JHEP ... 10..032A. Дои:10.1007 / JHEP10 (2014) 032. HDL:1721.1/92880.
11. Abe, Y .; и другие. (Сотрудничество с Double Chooz) (декабрь 2012 г.). «Первая проверка нарушения Лоренца с помощью реакторного антинейтрино-эксперимента». Физический обзор D. 86 (11): 112009. arXiv:1209.5810. Bibcode:2012ПхРвД..86к2009А. Дои:10.1103 / PhysRevD.86.112009. HDL:1721.1/76809.

внешняя ссылка

• Домашняя страница проекта