СТЕРЕО эксперимент

Эксперимент STEREO (Поиск стерильных Reactor Neutrino из ядерного реактора в легкие , O колебаний) исследовал возможные колебания нейтрино нейтрино так называемые стерильные . Он располагался в Институте Лауэ-Ланжевена (ILL) в Гренобле, Франция. В эксперименте были взяты данные с ноября 2016 года по ноябрь 2020 года. Окончательные результаты эксперимента опровергли гипотезу о легком стерильном нейтрино. ^[1]

Детектор

Принцип измерения

Рисунок 2: Сравнение различных спектров на расстоянии 10 м и 12 м от реактора. Черная линия показывает случай без осцилляций в стерильные нейтрино, тогда как синяя и красная линии показывают случай, включающий осцилляцию в легкое стерильное нейтрино.

Детектор СТЕРЕО расположен на расстоянии 10 м от исследовательского реактора МИЛ. Исследовательский реактор имеет тепловую мощность 58 МВт. Предполагается, что STEREO будет измерять поток и спектр нейтрино вблизи реактора. ^[2] Чтобы иметь возможность регистрировать нейтрино, излучаемые из реактора, детектор заполняется 1800 л органического жидкого сцинтиллятора , легированного гадолинием . ^[3] Внутри сцинтиллятора нейтрино захватываются в процессе обратного бета-распада.

{\overline {\nu }}_{e}+p\rightarrow n+e^{+}

В этом процессе позитрон рождается . Когда позитрон движется через сцинтиллятор, генерируется световой сигнал, который регистрируется 48 фотоумножительными трубками (ФЭУ), расположенными в верхней части ячеек детектора. ^[4] Захват нейтрона , который также образуется во время обратного бета-распада, дает второй сигнал совпадения.

Ожидаемое расстояние между максимумом и минимумом колебаний легких стерильных нейтрино составляет около 2 м. Чтобы увидеть колебания, детектор разделен на 6 отдельных детекторных ячеек, каждая из которых измеряет энергетический спектр обнаруженных нейтрино. Сравнивая измеренные спектры, можно было обнаружить возможные колебания (см. Рисунок 2).

Эксперимент STEREO обнаруживает $\sim 400$ нейтрино в сутки. ^[5]

Экранирование детектора

Нейтрино взаимодействуют слабо . Поэтому детекторы нейтрино, такие как STEREO, должны быть очень чувствительными и нуждаться в хорошей защите от дополнительных фоновых сигналов, чтобы иметь возможность точно обнаруживать нейтрино. ^[2]

Для достижения такой высокой чувствительности 6 внутренних ячеек детектора окружены жидким сцинтиллятором (без гадолиния), который действует как «улавливатель гамма-излучения», обнаруживая входящее и исходящее гамма-излучение . Это значительно увеличивает эффективность обнаружения, а также энергетическое разрешение детектора. Черенковский детектор, наполненный водой, помещается поверх детектора для обнаружения космических мюонов , которые производятся в атмосфере и в противном случае действовали бы как большой источник фона. Чтобы защитить детектор от радиоактивных источников, исходящих от окружающих экспериментов, он окружен и экранируется множеством слоев (65 тонн), в основном свинца и полиэтилена, а также железа, стали и ${\ce {B_4C}}$ .

Мотивация

Рисунок 3: Реактор-антинейтрино-аномалия (РАА)

Хотя осцилляции нейтрино — это явление, которое сегодня достаточно хорошо изучено, все же существуют некоторые экспериментальные наблюдения, которые ставят под сомнение полноту нашего понимания. Самым ярким из этих наблюдений является так называемая реакторная антинейтринная аномалия (РАА) (см. рисунок 3). В ряде экспериментов с реакторными нейтрино с короткой базой был измерен значительно меньший поток антиэлектронных нейтрино ( $ν e$ ) по сравнению с теоретическими предсказаниями (отклонение 2,7 $σ$ ). ^[6]Дальнейшими экспериментальными аномалиями являются неожиданное появление $ν e$ с короткой базой $в луче ν μ$ (аномалия LSND). ^[7] а также исчезновение $ν e$ на коротких дистанциях на этапе калибровки GALLEX ^[8] и СЕЙДЖ ^[9] эксперименты, известные как аномалия галлиевых нейтрино.

Эти аномалии могут означать, что наше понимание нейтринных колебаний еще не завершено и что нейтрино осциллируют в другой 4-й вид нейтрино. Однако измерения ширины распада на Z-бозона Большом электрон-позитронном коллайдере (LEP) исключают существование легкого 4-го «активного» (т.е. взаимодействующего посредством слабого взаимодействия) нейтрино. ^[10] Следовательно, осцилляция в дополнительные легкие «стерильные» нейтрино рассматривается как возможное объяснение наблюдаемых аномалий. Кроме того, стерильные нейтрино появляются во многих видных расширениях Стандартной модели физики элементарных частиц , например, в механизме качелей типа 1.

Результаты

Первоначальные результаты были опубликованы в 2018 году на основе набора данных за 66 дней работы реактора. ^[11] Большая часть пространства параметров, которое могло учитывать RAA, была исключена с уровнем достоверности 90%. Окончательные результаты были опубликованы в 2023 году. С октября 2017 года по ноябрь 2020 года было обнаружено 107 588 антиневрино. Объяснение RAA стерильными нейтрино было отвергнуто с точностью до нескольких (эВ)² для квадратичного разделения масс между стандартным и стерильным состояниями нейтрино (см. рисунок). 4). ^[1]

Ссылки

^ Jump up to: ^а ^б Даймонд, Х.; Бернард, Л.; Бланше, А.; Боном, А.; Бак, К.; Чалил, А.; дель Амо Санчес, П.; Эль Атмани, И.; Лабит, Л.; Ламблин, Дж.; Летурно, А.; Люлье, Д.; Ликарди, М.; Линднер, М.; Матерна, Т. (2023). «СТЕРЕО-нейтринный спектр деления 235U отвергает гипотезу стерильных нейтрино» . Природа . 613 (7943): 257–261. arXiv : 2210.07664 . дои : 10.1038/s41586-022-05568-2 . ISSN 1476-4687 .
^ Jump up to: ^а ^б Аллеманду, Н.; и др. (2018). «Эксперимент СТЕРЕО». Журнал приборостроения . 13 (7): P07009. arXiv : 1804.09052 . Бибкод : 2018JInst..13P7009A . дои : 10.1088/1748-0221/13/07/P07009 . S2CID 119535365 .
^ Бак, К.; Грамлих, Б.; Линднер, М.; Рока, К.; Шоппманн, С. (2019). «Производство и свойства жидких сцинтилляторов, используемых в нейтринном эксперименте на реакторе STEREO». Журнал приборостроения . 14 (1): P01027. arXiv : 1812.02998 . Бибкод : 2019JInst..14P1027B . дои : 10.1088/1748-0221/14/01/P01027 . S2CID 119425357 .
^ Буррион, О.; и др. (2016). «Триггерная и считывающая электроника для эксперимента СТЕРЕО». Журнал приборостроения . 11 (2): C02078. arXiv : 1510.08238 . дои : 10.1088/1748-0221/11/02/c02078 . S2CID 109826774 .
^ Бернар, Лаура (2019). «Результаты эксперимента STEREO с данными о работе реактора за 119 дней». arXiv : 1905.11896 [ hep-ex ].
^ Упоминание, Г.; Фехнер, М.; Лассер, Т.; Мюллер, Th.A.; Люлье, Д.; Крибье, М.; Летурно, А. (2011). «Реакторная антинейтринная аномалия». Физический обзор D . 83 (7): 073006. arXiv : 1101.2755 . Бибкод : 2011PhRvD..83g3006M . дои : 10.1103/PhysRevD.83.073006 . S2CID 14401655 .
^ Агилар, А.; Ауэрбах, Л.Б.; Берман, Род-Айленд; Колдуэлл, DO; Черч, ЭД; Кокран, АК; и др. (2001). «Доказательства нейтринных осцилляций по наблюдению $появления ν e$ в $пучке ν μ$ ». Физический обзор D . 64 (11): 112007. arXiv : hep-ex/0104049 . doi : 10.1103/PhysRevD.64.112007 . S2CID 118686517 .
^ Джунти, Карло; Лаведер, Марко (2011). «Статистическая значимость аномалии галлия». Физический обзор C . 83 (6): 065504. arXiv : 1006.3244 . Бибкод : 2011PhRvC..83f5504G . дои : 10.1103/PhysRevC.83.065504 . S2CID 119255011 .
^ Абдурашитов Ю.Н.; Гаврин В.Н.; Грин, СВ; Горбачев В.В.; Гуркина, П.П.; Ибрагимова, ТВ; и др. (2006). «Измерение реакции галлиевого эксперимента с солнечными нейтрино на нейтрино от а». ³⁷Источник Ar». Physical Review C. 73 ( 4): 045805. arXiv : nucl-ex/0512041 . Bibcode : 2006PhRvC..73d5805A . doi : 10.1103/PhysRevC.73.045805 . S2CID 119453823 .
^ Аллеманду, Н.; Альмазан, Х.; дель Амо Санчес, П.; Бернард, Л.; Бернар, К.; Бланше, А.; и др. (2006). «Прецизионные электрослабые измерения Z-резонанса». Отчеты по физике . 427 (5–6): 257–454. arXiv : hep-ex/0509008 . Бибкод : 2006PhR...427..257A . дои : 10.1016/j.physrep.2005.12.006 . S2CID 119482321 .
^ Альмазан, Хелена; Бернар, Лаура (2018). «Стерильные нейтринные ограничения из эксперимента STEREO с данными о работе реактора за 66 дней». Письма о физических отзывах . 121 (16): 161801. arXiv : 1806.02096 . Бибкод : 2018PhRvL.121p1801A . doi : 10.1103/PhysRevLett.121.161801 . ПМИД 30387650 . S2CID 53223216 .

Внешние ссылки

[nature2023-1] Jump up to: ^а ^б Даймонд, Х.; Бернард, Л.; Бланше, А.; Боном, А.; Бак, К.; Чалил, А.; дель Амо Санчес, П.; Эль Атмани, И.; Лабит, Л.; Ламблин, Дж.; Летурно, А.; Люлье, Д.; Ликарди, М.; Линднер, М.; Матерна, Т. (2023). «СТЕРЕО-нейтринный спектр деления 235U отвергает гипотезу стерильных нейтрино» . Природа . 613 (7943): 257–261. arXiv : 2210.07664 . дои : 10.1038/s41586-022-05568-2 . ISSN 1476-4687 .

[STEREO_EXPERIMENT-2] Jump up to: ^а ^б Аллеманду, Н.; и др. (2018). «Эксперимент СТЕРЕО». Журнал приборостроения . 13 (7): P07009. arXiv : 1804.09052 . Бибкод : 2018JInst..13P7009A . дои : 10.1088/1748-0221/13/07/P07009 . S2CID 119535365 .

[3] Бак, К.; Грамлих, Б.; Линднер, М.; Рока, К.; Шоппманн, С. (2019). «Производство и свойства жидких сцинтилляторов, используемых в нейтринном эксперименте на реакторе STEREO». Журнал приборостроения . 14 (1): P01027. arXiv : 1812.02998 . Бибкод : 2019JInst..14P1027B . дои : 10.1088/1748-0221/14/01/P01027 . S2CID 119425357 .

[STEREO_Electronics-4] Буррион, О.; и др. (2016). «Триггерная и считывающая электроника для эксперимента СТЕРЕО». Журнал приборостроения . 11 (2): C02078. arXiv : 1510.08238 . дои : 10.1088/1748-0221/11/02/c02078 . S2CID 109826774 .

[STEREO_RESULTS-5] Бернар, Лаура (2019). «Результаты эксперимента STEREO с данными о работе реактора за 119 дней». arXiv : 1905.11896 [ hep-ex ].

[6] Упоминание, Г.; Фехнер, М.; Лассер, Т.; Мюллер, Th.A.; Люлье, Д.; Крибье, М.; Летурно, А. (2011). «Реакторная антинейтринная аномалия». Физический обзор D . 83 (7): 073006. arXiv : 1101.2755 . Бибкод : 2011PhRvD..83g3006M . дои : 10.1103/PhysRevD.83.073006 . S2CID 14401655 .

[7] Агилар, А.; Ауэрбах, Л.Б.; Берман, Род-Айленд; Колдуэлл, DO; Черч, ЭД; Кокран, АК; и др. (2001). «Доказательства нейтринных осцилляций по наблюдению $появления ν e$ в $пучке ν μ$ ». Физический обзор D . 64 (11): 112007. arXiv : hep-ex/0104049 . doi : 10.1103/PhysRevD.64.112007 . S2CID 118686517 .

[8] Джунти, Карло; Лаведер, Марко (2011). «Статистическая значимость аномалии галлия». Физический обзор C . 83 (6): 065504. arXiv : 1006.3244 . Бибкод : 2011PhRvC..83f5504G . дои : 10.1103/PhysRevC.83.065504 . S2CID 119255011 .

[9] Абдурашитов Ю.Н.; Гаврин В.Н.; Грин, СВ; Горбачев В.В.; Гуркина, П.П.; Ибрагимова, ТВ; и др. (2006). «Измерение реакции галлиевого эксперимента с солнечными нейтрино на нейтрино от а». ³⁷Источник Ar». Physical Review C. 73 ( 4): 045805. arXiv : nucl-ex/0512041 . Bibcode : 2006PhRvC..73d5805A . doi : 10.1103/PhysRevC.73.045805 . S2CID 119453823 .

[10] Аллеманду, Н.; Альмазан, Х.; дель Амо Санчес, П.; Бернард, Л.; Бернар, К.; Бланше, А.; и др. (2006). «Прецизионные электрослабые измерения Z-резонанса». Отчеты по физике . 427 (5–6): 257–454. arXiv : hep-ex/0509008 . Бибкод : 2006PhR...427..257A . дои : 10.1016/j.physrep.2005.12.006 . S2CID 119482321 .

[STEREO_RESULTS2018-11] Альмазан, Хелена; Бернар, Лаура (2018). «Стерильные нейтринные ограничения из эксперимента STEREO с данными о работе реактора за 66 дней». Письма о физических отзывах . 121 (16): 161801. arXiv : 1806.02096 . Бибкод : 2018PhRvL.121p1801A . doi : 10.1103/PhysRevLett.121.161801 . ПМИД 30387650 . S2CID 53223216 .

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]

[9]

[10]

[11]