Двойной выбор

Double Chooz с короткой базой — эксперимент по осцилляциям нейтрино в Чузе , Франция. Его целью было измерить или установить ограничение на θ ₁₃ угол смешивания , параметр нейтринных колебаний, ответственный за превращение электронных нейтрино в другие нейтрино. В эксперименте использовались реакторы атомной электростанции Чуз в качестве источника нейтрино и измерялся поток нейтрино от них. Для этого у Double Chooz был набор из двух детекторов, расположенных на расстоянии 400 и 1050 метров от реакторов. Double Chooz стал преемником эксперимента Chooz ; один из его детекторов занимает то же место, что и его предшественник. До января 2015 года все данные собирались только с помощью дальнего детектора. Ближний детектор был завершен в сентябре 2014 года после задержек в строительстве. ^[1] и начал принимать данные в начале 2015 года. Оба детектора прекратили прием данных в конце декабря 2017 года.

Конструкция детектора

Double Chooz использовала два идентичных жидкостных сцинтилляционных детектора, легированных гадолинием. ^[2] размещен рядом с двумя тепловыми реакторами мощностью 4,25 ГВт для измерения исчезновения антинейтрино. Два детектора были названы «ближними», в 400 метрах от реактора; и «дальний», 1050 метров от реактора. Дальний детектор был расположен внутри холма так, чтобы было 300 метров водного эквивалента защиты от космических мюонов. Сам детектор представлял собой калориметрический жидкостный сцинтиллятор, состоящий из четырех концентрических цилиндрических сосудов. ^[3]^[4]

Нейтринная мишень и γ-ловушка

Самый внутренний сосуд был изготовлен из акрилового пластика и имел диаметр 230 см, высоту 245,8 см и толщину 0,8 см. Эта камера была заполнена 10 000 литров жидкого сцинтиллятора, загруженного гадолинием (Gd) (1 грамм/литр); это была мишень из нейтрино. Следующим слоем был γ-ловец. Он окружал нейтринную мишень слоем жидкого сцинтиллятора, не содержащего Gd, толщиной 55 см. Корпус γ-ловушки имел толщину 12 см и был изготовлен из того же материала, что и ловец нейтрино. Материалы были выбраны так, чтобы оба этих сосуда были прозрачны для фотонов с длиной волны более 400 нм. ^[3]^[4]

Буферный сосуд и ФЭУ

Буферный сосуд был изготовлен из нержавеющей стали 304L, его размеры составляли 552,2 см в ширину, 568,0 см в высоту и толщину 0,3 см. Оставшаяся часть внутреннего пространства, не занятая двойным акриловым сосудом, была заполнена неблестящим минеральным маслом. На внутренней поверхности буферного сосуда располагались 390 10-дюймовых фотоумножителей . Целью буферного слоя была защита от радиоактивности в ФЭУ и окружающей породе. Эти два слоя, помимо нейтринной мишени и γ-ловушки, вместе назывались «внутренним детектором». ^[3]^[4]

Внутренние и внешние вето

Внутреннее вето окружило буферный сосуд слоем сверкающего минерального масла толщиной 50 см. Кроме того, он имел 78 8-дюймовых ФЭУ, расположенных сверху, снизу и по бокам. Этот внутренний вето-слой служил активным вето-слоем для мюонов и быстрых нейтронов. Окружающий стальной кожух толщиной 15 см дополнительно защищал от внешних гамма-лучей. Внешнее вето закрывало верхнюю часть резервуара детектора. Он состоял из полосок сечением 5 см х 1 см, уложенных в ортогональных направлениях. ^[3]^[4]

Сбор данных

Сигналы внутреннего детектора и внутреннего вето записывались 8-битным флэш- электронным АЦП с частотой дискретизации 500 МГц. Порог срабатывания детекторов был установлен на уровне 350 кэВ, что намного ниже ожидаемого для электронных антинейтрино 1,02 МэВ. ^[3]^[4]

В течение нескольких лет Double Chooz работал только с дальним детектором и использовал такие модели, как Bugey4, для расчета ожидаемого потока.

Экспериментальные методы

Смешивание нейтрино

Нейтрино — это электрически нейтральные, чрезвычайно легкие частицы, которые слабо взаимодействуют, а это означает, что они могут путешествовать на огромные расстояния, оставаясь незамеченными. Одним из свойств нейтрино является то, что по мере распространения они имеют возможность колебаться от одного аромата ( $e,\mu ,\tau$ ) в другой, и это принцип, по которому проводится эксперимент. Цель Double Chooz — более жестко ограничить ценность $\theta _{13}$ угол смешивания.

Эксперимент Chooz , проведенный в 1990-х годах, показал, что $\theta _{13}$ Угол смешивания ограничен

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

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

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

Наблюдения за углом смешивания осуществляются путем наблюдения за ${\bar {\nu }}_{e}$ поток, который выходит из реакторов во время реакций деления . Ожидаемый ${\bar {\nu }}_{e}$ поток из реакторов составляет около 50 в сутки. Поскольку одна из разностей квадратов масс нейтрино намного меньше другой, в эксперименте Double Chooz необходимо учитывать только колебание с двумя ароматами . В модели двух ароматов вероятность выживания любого нейтрино моделируется формулой

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 $L$ длина пути нейтрино в метрах и $E_{\nu }$ это энергия ${\bar {\nu }}_{e}$ частица. Отсюда значение угла смешивания можно измерить по амплитуде колебаний в реакторных нейтринных осцилляциях. ^[4]

Наблюдения

Нейтрино из реактора наблюдаются в процессе обратного бета-распада (IBD).

{\bar {\nu }}_{e}+p\to e^{+}+n.

^[4]

Поскольку необходимо учитывать фоновые факторы, кандидаты на (IBD) определяются следующим образом: видимая энергия мгновенного сигнала должна находиться в диапазоне от 0,5 до 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 менее 100 см; и никакие другие сигналы (кроме задержанного сигнала) не обнаружены 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

Угол смешивания

В ноябре 2011 года первые результаты эксперимента с использованием данных за 228 дней были представлены на конференции LowNu в Сеуле , намекая на ненулевое значение θ ₁₃ , ^[5] за которым последовала статья, отправленная в arXiv в декабре 2011 года. ^[6]В статье ПРЛ ^[7] (опубликовано в 2012 году), гипотеза о нулевых колебаниях θ ₁₃ была исключена при 2,9 сигма путем объединения данных об исчезновении эксперимента Double Chooz и данных о появлении эксперимента T2K, которые были опубликованы всего несколько месяцев назад. Этот результат стал одновременно самым важным свидетельством того времени и первым точным измерением амплитуды θ ₁₃ . Вскоре после этого эксперимент в Дайя-Бэй предоставил подтверждающие измерения со значимостью ≥5 σ . Центральные значения экспериментов Double Chooz и Daya Bay находились в превосходном согласии и остаются таковыми (в пределах ≤2 σ ) до сих пор. Похожий метод комбинирования анализа, использованный в эксперименте Double Chooz в 2012 году, был использован в эксперименте T2K, чтобы получить первые ограничения на фазу ненулевого CP-нарушения в 2020 году. ^{[ нужна ссылка ]}

Захват нейтронов на водороде использовался для получения независимых данных, которые были проанализированы для получения отдельных измерений в 2013 году: ^[8]

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

Использование данных при выключенном реакторе, независимое от фона измерение. ^[9] было опубликовано в июле 2014 года в журнале Physics Letters B :

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

Улучшенное измерение с уменьшенным фоном и систематической неопределенностью после сбора данных за 467,90 дней было опубликовано в Журнале физики высоких энергий в 2014 году: ^[4]

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

Другие результаты

Double Chooz смог идентифицировать образование позитрония в своем детекторе, который задерживает аннигиляцию позитронов и искажает сцинтилляционный сигнал. ^[10] Был разработан алгоритм маркировки, который можно было бы использовать в детекторах нейтрино для улучшения подавления фона, что аналогично было сделано Борексино для космогенных ¹¹Фон С. Было измерено время жизни ортопозитрония 3,68 ± 0,15 нс , что совместимо с другими специализированными установками.

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

Библиография

Аполлонио, М.; и др. (2003). «Поиск нейтринных осцилляций на длинной базе на атомной электростанции ЧООЗ». Европейский физический журнал C . 27 (3): 331–374. arXiv : hep-ex/0301017 . Бибкод : 2003EPJC...27..331A . дои : 10.1140/epjc/s2002-01127-9 . S2CID 14226312 .
Арделье, Ф.; и др. (2006). «Двойной Чуз: поиск угла смешивания нейтрино θ ₁₃ ». arXiv : hep-ex/0606025 .
Хубер, П.; и др. (2006). «От двойного чуза к тройному чузу - нейтринная физика в реакторном комплексе чуза». Журнал физики высоких энергий . 0605 (72): 072. arXiv : hep-ph/0601266 . Бибкод : 2006JHEP...05..072H . дои : 10.1088/1126-6708/2006/05/072 . S2CID 13576581 .

Ссылки

^ «Открытие второго детектора нейтрино для эксперимента Double Chooz» . 25 сентября 2014 г.
^ Микаэлян Л; Синев, В (2000). «Нейтринные колебания в реакторах: что дальше?». Физика атомных ядер . 63 (6): 1002. arXiv : hep-ex/9908047 . Бибкод : 2000PAN....63.1002M . дои : 10.1134/1.855739 . S2CID 15221390 .
^ Перейти обратно: ^а ^б ^с ^д ^и Арделье, Ф.; и др. (2006). «Двойной Чуз: поиск угла смешивания нейтрино θ ₁₃ ». arXiv : hep-ex/0606025 .
^ Перейти обратно: ^а ^б ^с ^д ^и ^ж ^г ^час ^я Абэ, Ю.; и др. (Сотрудничество Double Chooz) (2014). «Улучшенные измерения угла смешивания нейтрино θ ₁₃ с помощью детектора Double Chooz». Журнал физики высоких энергий . 2014 (10): 86. arXiv : 1406.7763 . Бибкод : 2014JHEP...10..086A . дои : 10.1007/JHEP10(2014)086 . S2CID 53849018 .
↑ Эрве де Керрет, «Первые результаты эксперимента Double Chooz» , выступление на конференции LowNu, Сеул, ноябрь 2011 г., через: «Первые результаты Double Chooz» . Архивировано из оригинала 12 ноября 2011 г. Проверено 10 ноября 2011 г.
^ Ю, Эйб; и др. (сотрудничество Double Chooz) (28 марта 2012 г.). «Признак исчезновения реакторных электронных антинейтрино в эксперименте Double Chooz». Письма о физических отзывах . 108 (19): 131801. arXiv : 1112.6353 . Бибкод : 2012PhRvL.108m1801A . doi : 10.1103/PhysRevLett.108.131801 . ПМИД 22540693 . S2CID 19008791 .
^ Абэ, Ю.; и др. (Сотрудничество Double Chooz) (18 сентября 2012 г.). «Исчезновение реактора νe в эксперименте Double Chooz». Физический обзор D . 86 (5): 052008. arXiv : 1207.6632 . Бибкод : 2012PhRvD..86e2008A . doi : 10.1103/PhysRevD.86.052008 . S2CID 30891902 .
^ Абэ, Ю.; и др. (Сотрудничество Double Chooz) (2012). «Первое измерение θ ₁₃ в результате задержанного захвата нейтронов на водороде в эксперименте двойного выбора». Буквы по физике Б. 723 (1–3): 66–70. arXiv : 1301.2948 . Бибкод : 2013PhLB..723...66A . дои : 10.1016/j.physletb.2013.04.050 . S2CID 59462260 .
^ Абэ, Ю.; и др. (Сотрудничество Double Chooz) (2014). «Независимое от фона измерение θ ₁₃ в Double Chooz». Буквы по физике Б. 735 : 51–56. arXiv : 1401.5981 . Бибкод : 2014PhLB..735...51A . дои : 10.1016/j.physletb.2014.04.045 . S2CID 27219821 .
^ Абэ, Ю.; и др. (Сотрудничество Double Chooz) (октябрь 2014 г.). «Наблюдение ортопозитрония в эксперименте Двойной Чуз» . Журнал физики высоких энергий . 2014 (10): 32. arXiv : 1407.6913 . Бибкод : 2014JHEP...10..032A . дои : 10.1007/JHEP10(2014)032 . hdl : 1721.1/92880 .
^ Абэ, Ю.; и др. (Сотрудничество Double Chooz) (декабрь 2012 г.). «Первая проверка нарушения Лоренца с помощью реакторного эксперимента с антинейтрино». Физический обзор D . 86 (11): 112009. arXiv : 1209.5810 . Бибкод : 2012PhRvD..86k2009A . doi : 10.1103/PhysRevD.86.112009 . hdl : 1721.1/76809 . S2CID 3282231 .

Внешние ссылки

Домашняя страница проекта

[1] «Открытие второго детектора нейтрино для эксперимента Double Chooz» . 25 сентября 2014 г.

[MikSin2000-2] Микаэлян Л; Синев, В (2000). «Нейтринные колебания в реакторах: что дальше?». Физика атомных ядер . 63 (6): 1002. arXiv : hep-ex/9908047 . Бибкод : 2000PAN....63.1002M . дои : 10.1134/1.855739 . S2CID 15221390 .

[arxiv2-3] Перейти обратно: ^а ^б ^с ^д ^и Арделье, Ф.; и др. (2006). «Двойной Чуз: поиск угла смешивания нейтрино θ ₁₃ ». arXiv : hep-ex/0606025 .

[arxiv3-4] Перейти обратно: ^а ^б ^с ^д ^и ^ж ^г ^час ^я Абэ, Ю.; и др. (Сотрудничество Double Chooz) (2014). «Улучшенные измерения угла смешивания нейтрино θ ₁₃ с помощью детектора Double Chooz». Журнал физики высоких энергий . 2014 (10): 86. arXiv : 1406.7763 . Бибкод : 2014JHEP...10..086A . дои : 10.1007/JHEP10(2014)086 . S2CID 53849018 .

[5] Эрве де Керрет, «Первые результаты эксперимента Double Chooz» , выступление на конференции LowNu, Сеул, ноябрь 2011 г., через: «Первые результаты Double Chooz» . Архивировано из оригинала 12 ноября 2011 г. Проверено 10 ноября 2011 г.

[DC2011-6] Ю, Эйб; и др. (сотрудничество Double Chooz) (28 марта 2012 г.). «Признак исчезновения реакторных электронных антинейтрино в эксперименте Double Chooz». Письма о физических отзывах . 108 (19): 131801. arXiv : 1112.6353 . Бибкод : 2012PhRvL.108m1801A . doi : 10.1103/PhysRevLett.108.131801 . ПМИД 22540693 . S2CID 19008791 .

[7] Абэ, Ю.; и др. (Сотрудничество Double Chooz) (18 сентября 2012 г.). «Исчезновение реактора νe в эксперименте Double Chooz». Физический обзор D . 86 (5): 052008. arXiv : 1207.6632 . Бибкод : 2012PhRvD..86e2008A . doi : 10.1103/PhysRevD.86.052008 . S2CID 30891902 .

[8] Абэ, Ю.; и др. (Сотрудничество Double Chooz) (2012). «Первое измерение θ ₁₃ в результате задержанного захвата нейтронов на водороде в эксперименте двойного выбора». Буквы по физике Б. 723 (1–3): 66–70. arXiv : 1301.2948 . Бибкод : 2013PhLB..723...66A . дои : 10.1016/j.physletb.2013.04.050 . S2CID 59462260 .

[9] Абэ, Ю.; и др. (Сотрудничество Double Chooz) (2014). «Независимое от фона измерение θ ₁₃ в Double Chooz». Буквы по физике Б. 735 : 51–56. arXiv : 1401.5981 . Бибкод : 2014PhLB..735...51A . дои : 10.1016/j.physletb.2014.04.045 . S2CID 27219821 .

[10] Абэ, Ю.; и др. (Сотрудничество Double Chooz) (октябрь 2014 г.). «Наблюдение ортопозитрония в эксперименте Двойной Чуз» . Журнал физики высоких энергий . 2014 (10): 32. arXiv : 1407.6913 . Бибкод : 2014JHEP...10..032A . дои : 10.1007/JHEP10(2014)032 . hdl : 1721.1/92880 .

[11] Абэ, Ю.; и др. (Сотрудничество Double Chooz) (декабрь 2012 г.). «Первая проверка нарушения Лоренца с помощью реакторного эксперимента с антинейтрино». Физический обзор D . 86 (11): 112009. arXiv : 1209.5810 . Бибкод : 2012PhRvD..86k2009A . doi : 10.1103/PhysRevD.86.112009 . hdl : 1721.1/76809 . S2CID 3282231 .

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]

[9]

[10]

[11]