Двойной чуц

Логотип Double Chooz

Double Chooz - эксперимент по осцилляциям нейтрино с короткой базой в Чуозе , Франция. Его цель - измерить или установить предел угла смешивания θ ₁₃ , параметра осцилляций нейтрино, ответственного за превращение электронных нейтрино в другие нейтрино. В эксперименте в качестве источника нейтрино используются реакторы АЭС Чуз, и измеряется поток нейтрино, которые они получают. Для этого Double Chooz имеет набор из двух детекторов, расположенных в 400 и 1050 метрах от реакторов. Double Chooz - преемник Choozэксперимент; один из его детекторов занимает то же место, что и его предшественник. До января 2015 года все данные собирались только дальним детектором. Ближний детектор был завершен в сентябре 2014 года после задержки строительства ^[1] и принимает физические данные с начала 2015 года.

Конструкция детектора [ править ]

Double Chooz использует два идентичных жидких сцинтилляционных детектора, легированных гадолинием ^[2], размещенных 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 калориметрический жидкий сцинтиллятор, состоящий из четырех концентрических цилиндрических сосудов. ^{[3] [4]}

Нейтринная мишень и γ-ловушка [ править ]

Самый внутренний сосуд сделан из акриловой пластмассы 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 [ править ]

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 несверлящим минеральным маслом. На внутренней поверхности буферного сосуда расположены 390 10-дюймовых фотоэлектронных умножителей . Буферный слой предназначен для защиты 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 [ править ]

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 данных [ править ]

Сигналы от внутреннего детектора и внутреннего вето регистрируются электроникой 8-битного флэш-АЦП 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 методы [ править ]

Смешивание нейтрино [ править ]

Нейтрино - это 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 по мере распространения они имеют возможность колебаться от одного аромата ( ) к другому, и это принцип, по которому работает эксперимент. Цель Double Chooz - более жестко ограничить значение угла смешивания.${\displaystyle e,\mu ,\tau }$${\displaystyle \theta _{13}}$

Эксперимент Chooz , выполненный в 1990 - х годах, обнаружил , что угол смешивания ограничен${\displaystyle \theta _{13}}$

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

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

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

Наблюдение за углом смешения осуществляется путем наблюдения за потоком, исходящим от реакторов во время их реакций деления . Ожидаемый поток от реакторов - около 50 в сутки. Поскольку одна из разностей квадратов массы нейтрино намного меньше другой, в эксперименте Double Chooz необходимо учитывать только двухфлейтовую осцилляцию . В модели двух ароматов вероятность выживания любого нейтрино моделируется следующим образом:${\displaystyle {\bar {\nu }}_{e}}$${\displaystyle {\bar {\nu }}_{e}}$

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

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

Наблюдения [ править ]

Нейтрино из реактора наблюдаются посредством процесса обратного бета-распада (IBD).

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

Результаты [ править ]

Угол смешивания [ править ]

В ноябре 2011 года первые результаты эксперимента были представлены на конференции LowNu в Сеуле , намекая на ненулевое значение θ ₁₃ . ^{[5] [6]} В статье 2012 года с использованием данных за 228 дней было измерено θ _13, 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 г .: ^[8]

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

В июле 2014 г. в Physics Letters B было опубликовано независимое от фона измерение ^[9] с использованием данных о выключенном реакторе :

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

Улучшенное измерение с уменьшенным фоном и систематическими погрешностями после 467,90 дней сбора данных было опубликовано в Journal of High Energy Physics в 2014 г .: ^[4]

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

Другие результаты [ править ]

Double Chooz удалось идентифицировать образование позитрония в их детекторе, который задерживает аннигиляцию позитронов и искажает сцинтилляционный сигнал. ^[10] алгоритм мечения А был разработан , который может быть использован в нейтринных детекторах для улучшения отторжения фона, который был аналогично осуществленных Борексина для космогенного ¹¹ фона C. Время жизни ортопозитронияБыло измерено 3,68 ± 0,15 нс , что совместимо с другими специализированными установками.

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

Библиография [ править ]

• 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 . DOI : 10.1140 / epjc / s2002-01127-9 . S2CID  14226312 .
• Ardellier, F .; и другие. (2006). "Double Chooz: поиск угла смешения нейтрино θ ₁₃ ". 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 . DOI : 10.1088 / 1126-6708 / 2006/05/072 . S2CID  13576581 .

Ссылки [ править ]

Внешние ссылки [ править ]

• Домашняя страница проекта