Из Википедии, бесплатной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску
Схема детектора КамЛАНД

Координаты : 36,4225 ° N 137,3153 ° в.д. [1] : 10536 ° 25′21 ″ с.ш., 137 ° 18′55 ″ в.д. /  / 36,4225; 137,3153 Камиока жидкий сцинтиллятор Антинейтрино детектор (КамЛАНД)представляет собой электронантинейтринодетектор наКамиока обсерватории, подземногообъекта обнаружения нейтриновHida, Гифу,Япония. Устройство находится вДрейф шахтывала в старойКамиокаНДЕполости вяпонских Альпах. Площадка окружена 53 японскими коммерческимиядерными реакторами. Ядерные реакторы производятэлектронные антинейтрино() при распаде радиоактивных продуктов деления в ядерном топливе . Подобно интенсивности света от лампочки или далекой звезды, изотропно излучаемый поток уменьшается на 1 / R 2 с увеличением расстояния R от реактора. Устройство чувствительно до примерно 25% антинейтрино от ядерных реакторов , энергия которых превышает пороговую энергию 1,8 мегаэлектронвольт (МэВ), и, таким образом, выдает сигнал в детекторе.

Если у нейтрино есть масса, они могут колебаться в ароматы, которые эксперимент не может обнаружить, что приводит к дальнейшему затемнению или «исчезновению» электронных антинейтрино. KamLAND расположен на среднем взвешенном по потоку расстоянии примерно 180 км от реакторов, что делает его чувствительным к смешиванию нейтрино, связанных с решениями проблемы солнечных нейтрино с большим углом смешивания (LMA) .

KamLAND Detector [ править ]

Наружный слой детектора KamLAND состоит из 18-метрового диаметра нержавеющей стали защитной оболочки с внутренним покрытием из 1879 фотоумножителя трубок (1325 17" и 20" 554 ИХ). [2] Покрытие фотокатода составляет 34%. Его второй, внутренний слой состоит из13 м -диаметр нейлон баллон , наполненный жидким сцинтиллятор , состоящий из 1000 метрических тонн в минеральном масле , бензола и флуоресцентных химических веществ. Номера мерцающие, высокоочищенное масло обеспечивает плавучесть для воздушного шара и действует в качестве буфера , чтобы держать баллон вдали от фотоумножителя трубок; масло также защищает от внешнего излучения. Цилиндрический водяной черенковский детектор мощностью 3,2 килотонны окружает защитный сосуд, действуя как мюонный вето-счетчик и обеспечивая защиту от космических лучей и радиоактивности. из окружающей скалы.

Электронные антинейтрино (
ν
е) обнаруживаются посредством реакции обратного бета-распада , имеющей энергетический порог 1,8 МэВ . Мгновенный мерцающий свет от позитрона ( ) дает оценку падающей энергии антинейтрино , где - энергия мгновенного события, включая кинетическую энергию позитрона и энергию аннигиляции . Величина < > - это средняя энергия отдачи нейтрона , которая составляет всего несколько десятков килоэлектронвольт (кэВ). Примерно через 200 микросекунд (мкс) нейтрон захватывается водородом, излучая характерный 2,2 МэВ γлуч . Эта сигнатура отложенного совпадения - очень мощный инструмент для отличия антинейтрино от фона, созданного другими частицами.

Чтобы компенсировать потерю потока из-за длинной базы, KamLAND имеет гораздо больший объем обнаружения по сравнению с более ранними устройствами. Детектор KamLAND использует детекторную массу в 1000 метрических тонн, что более чем в два раза превышает размер аналогичных детекторов, таких как Borexino . Однако увеличенный объем детектора также требует большей защиты от космических лучей, что требует размещения детектора под землей.

В рамках поиска двойного бета-распада Камланда-Зена в 2011 году в центре детектора был подвешен баллон сцинтиллятора с 320 кг растворенного ксенона [3] . KamLAND-PICO - это планируемый проект, который установит детектор PICO-LON в Камланде для поиска темной материи. PICO-LON - это радиочистый кристалл NaI (Tl), в котором наблюдается неупругое рассеяние ядер вимпов. [4] Планируется усовершенствовать детектор, добавив светособирающие зеркала и ФЭУ с более высокой квантовой эффективностью.

Результаты [ править ]

Колебания нейтрино [ править ]

KamLAND начал сбор данных 17 января 2002 г. Первые результаты были получены с использованием данных всего за 145 дней. [5] Без осцилляции нейтрино ,Ожидалось 86,8 ± 5,6 событий, однако наблюдались только 54 события. KamLAND подтвердил этот результат с помощью 515-дневной выборки данных, [6] 365,2 события были предсказаны в отсутствие колебаний, и было обнаружено 258 событий. Эти результаты показали высокую значимость исчезновения антинейтрино.

Детектор KamLAND не только считает скорость антинейтрино, но и измеряет их энергию. Форма этого энергетического спектра несет дополнительную информацию, которая может быть использована для исследования гипотез нейтринных осцилляций. Статистический анализ в 2005 году показывает, что искажение спектра несовместимо с гипотезой об отсутствии осцилляций и двумя альтернативными механизмами исчезновения, а именно с моделями распада нейтрино и декогерентности. [ необходима цитата ] Это согласуется с осцилляцией 2-нейтрино, и аппроксимация дает значения для параметров Δm 2 и θ. Поскольку KamLAND измеряет Δm 2наиболее точно и солнечные эксперименты превосходят возможности KamLAND по измерению θ, наиболее точные параметры колебаний получаются в сочетании с солнечными результатами. Такой комбинированный подходит дает и , самое лучшее определение параметров нейтринных осцилляций к этой дате. С тех пор используется модель трех нейтрино.

Сообщалось о прецизионных комбинированных измерениях в 2008 [7] и 2011: [8]

Геологические антинейтрино (геонейтрино) [ править ]

KamLAND также опубликовал исследование геологически произведенных антинейтрино (так называемых геонейтрино ) в 2005 году. Эти нейтрино образуются при распаде тория и урана в земной коре и мантии . [9] Было обнаружено несколько геонейтрино, и эти ограниченные данные были использованы для ограничения мощности излучения U / Th до менее 60 ТВт.

Результаты комбинации с Borexino были опубликованы в 2011 году [10] по измерению теплового потока U / Th.

Новые результаты в 2013 году, благодаря уменьшению фона из-за останова реакторов в Японии, смогли ограничить выработку радиогенного тепла U / Th до TW [11] с использованием 116 событий. Это ограничивает модели состава массивной силикатной Земли и согласуется с эталонной моделью Земли.

KamLAND-Zen Double Beta Decay Search [ править ]

KamLAND-Zen использует этот детектор для изучения бета-распада 136 Xe из воздушного шара, помещенного в сцинтиллятор летом 2011 года. Наблюдения установили предел для периода полураспада двойного бета-распада без нейтрино, равный1,9 × 10 25  год . [12] Также было измерено время жизни двойного бета-распада:  год, что согласуется с другими исследованиями ксенона. [3] KamLAND-Zen планирует продолжить наблюдения с более обогащенным Xe и улучшенными компонентами детектора.

В августе 2016 года был опубликован улучшенный поиск, увеличивший предел полураспада до 1.07 × 10 26  лет , с пределом массы нейтрино 61–165 мэВ. [13]

Первый аппарат KamLAND-Zen, KamLAND-Zen 400 , по состоянию на 2018 г. завершил две исследовательские программы: Фаза I (октябрь 2011 г. - июнь 2012 г.) и Фаза II (декабрь 2013 г. - октябрь 2015 г.). Объединенные данные фаз I и II подразумевают нижнюю границу периода полураспада двойного бета-распада без нейтрино.

Второй экспериментальный аппарат KamLAND-Zen , KamLAND-Zen 800 , с большим баллоном около 750 кг ксенона был установлен в детекторе KamLAND 10 мая 2018 года. Ожидается, что работа начнется зимой 2018-2019 гг. [14]

Коллаборация KamLAND-Zen планирует в долгосрочной перспективе построить еще один аппарат, KamLAND2-Zen .

Ссылки [ править ]

  1. ^ Ивамото Тошиюки (февраль 2003), Измерение Reactor антинейтрино исчезновениях в KamLAND (PDF) (докторская диссертация), Университет Тохоку, архивируются из исходного (PDF) на 2014-10-06
  2. ^ Сузуки, Ацуто; Сотрудничество, KamLand (01.01.2005). "Результаты обнаружения нейтрино реактора КамЛАНД" . Physica Scripta . 2005 (T121): 33. Полномочный код : 2005PhST..121 ... 33S . DOI : 10.1088 / 0031-8949 / 2005 / T121 / 004 . ISSN 1402-4896 . 
  3. ^ а б Гандо, А .; и другие. (Сотрудничество KamLAND-Zen) (19 апреля 2012 г.). «Измерение периода полураспада двойного β-распада 136 Xe с помощью эксперимента KamLAND-Zen». Physical Review C . 85 (4): 045504. arXiv : 1201.4664 . Bibcode : 2012PhRvC..85d5504G . DOI : 10.1103 / PhysRevC.85.045504 .
  4. ^ Fushimi, K; и другие. (2013). "Поиск темной материи PICO-LON" . Журнал физики: Серия конференций . 469 (1): 012011. Bibcode : 2013JPhCS.469a2011F . DOI : 10.1088 / 1742-6596 / 469/1/012011 .
  5. ^ Eguchi, K .; и другие. (Сотрудничество KamLAND) (2003). «Первые результаты с KamLAND: свидетельства исчезновения реакторных антинейтрино». Письма с физическим обзором . 90 (2): 021802–021807. arXiv : hep-ex / 0212021 . Bibcode : 2003PhRvL..90b1802E . DOI : 10.1103 / PhysRevLett.90.021802 . PMID 12570536 . 
  6. ^ Араки, Т .; и другие. (Сотрудничество KamLAND) (2005). «Измерение осцилляций нейтрино с помощью KamLAND: свидетельство искажения спектра». Письма с физическим обзором . 94 (8): 081801–081806. arXiv : hep-ex / 0406035 . Bibcode : 2005PhRvL..94h1801A . DOI : 10.1103 / PhysRevLett.94.081801 . PMID 15783875 . 
  7. ^ Abe, S .; и другие. (Сотрудничество KamLAND) (5 июня 2008 г.). «Прецизионное измерение параметров колебаний нейтрино с помощью KamLAND». Письма с физическим обзором . 100 (22): 221803. arXiv : 0801.4589 . Bibcode : 2008PhRvL.100v1803A . DOI : 10.1103 / PhysRevLett.100.221803 . PMID 18643415 . 
  8. ^ Гандо, А .; и другие. (2011). «Ограничения на θ 13 из трехкомпонентного колебательного анализа реакторных антинейтрино в KamLAND». Physical Review D . 83 (5): 052002. arXiv : 1009.4771 . Bibcode : 2011PhRvD..83e2002G . DOI : 10.1103 / PhysRevD.83.052002 .
  9. ^ Араки, Т .; и другие. (Сотрудничество KamLAND) (2005). «Экспериментальное исследование геологически произведенных антинейтрино с помощью KamLAND». Природа . 436 (7050): 499–503. Bibcode : 2005Natur.436..499A . DOI : 10,1038 / природа03980 . PMID 16049478 . 
  10. ^ Гандо, А .; и другие. (Сотрудничество KamLAND) (17 июля 2011 г.). «Модель частичного радиогенного тепла для Земли, выявленная измерениями геонейтрино» (PDF) . Природа Геонауки . 4 (9): 647–651. Bibcode : 2011NatGe ... 4..647K . DOI : 10.1038 / ngeo1205 .
  11. ^ A. Gando et al. (Сотрудничество KamLAND) (2 августа 2013 г.). «Измерение двухпозиционных антинейтрино в реакторе с помощью KamLAND». Physical Review D . 88 (3): 033001. arXiv : 1303.4667 . Bibcode : 2013PhRvD..88c3001G . DOI : 10.1103 / PhysRevD.88.033001 .
  12. ^ Гандо, А .; и другие. (Сотрудничество KamLAND-Zen) (7 февраля 2013 г.). «Предел безнейтринного ββ-распада 136 Xe из первой фазы KamLAND-Zen и сравнение с положительным утверждением в 76 Ge». Письма с физическим обзором . 110 (6): 062502. arXiv : 1211.3863 . Bibcode : 2013PhRvL.110f2502G . DOI : 10.1103 / PhysRevLett.110.062502 . PMID 23432237 . 
  13. ^ Гандо, А .; и другие. (Сотрудничество KamLAND-Zen) (16 августа 2016 г.). «Поиск майоранских нейтрино вблизи области инвертированной массовой иерархии с помощью KamLAND-Zen». Письма с физическим обзором . 117 (8): 082503. arXiv : 1605.02889 . Bibcode : 2016PhRvL.117h2503G . DOI : 10.1103 / PhysRevLett.117.082503 . PMID 27588852 . 
  14. ^ http://www.ba.infn.it/~now/now2018/assets/yoshihitogandonow2018.pdf

Дальнейшее чтение [ править ]

  • Abe, S; и другие. (Сотрудничество KamLAND) (2008). «Прецизионное измерение параметров колебаний нейтрино с помощью KamLAND». Письма с физическим обзором . 100 (22): 221803. arXiv : 0801.4589 . Bibcode : 2008PhRvL.100v1803A . DOI : 10.1103 / PhysRevLett.100.221803 . PMID  18643415 .
  • Егучи, К; и другие. (Сотрудничество KamLAND) (2004 г.). "Поиск с высокой чувствительностью
    ν
    е    «S от солнца и других источников в KamLAND». Physical Review Letters . 92 (7): 071301-071305. Arxiv : геп-ех / 0310047 . Bibcode : 2004PhRvL..92g1301E . дои : 10,1103 / PhysRevLett.92.071301 . PMID  14995837 .

Внешние ссылки [ править ]

  • Официальный сайт КамЛАНД
  • KamLAND в Национальной лаборатории Лоуренса Беркли (Berkeley Lab)