Жидкий сцинтиллятор Kamioka Детектор антинейтрино

редактировать

Схема детектора KamLAND

Координаты : 36 ° 25 '21 "N 137 ° 18'55" E / 36,4225 ° N 137,3153 ° E / 36,4225; 137.3153 Жидкий сцинтилляторный детектор антинейтрино Камиока (KamLAND) - это электронный детектор антинейтрино в обсерватории Камиока, подземном центре обнаружения нейтрино в Хида, Гифу, Япония. Устройство находится в стволе штольни шахты в старой полости КамиокАНДЕ в Японских Альпах. Площадку окружают 53 японских коммерческих ядерных реактора. Ядерные реакторы производят электронные антинейтрино ( $ν ¯ e {\ displaystyle {\ bar {\ nu}} _ {e}}$ ${\ bar {\ nu}} _ {e}$ ) во время распада радиоактивного деления. продукты в составе ядерного топлива. Подобно интенсивности света лампочки или далекой звезды, изотропно испускаемый $ν ¯ e {\ displaystyle {\ bar {\ nu}} _ {e}}$ ${\ bar {\ nu}} _ {e}$ поток уменьшается на 1 / R на увеличивающееся расстояние R от реактора. Устройство чувствительно примерно до 25% к антинейтрино из ядерных реакторов, которые превышают пороговую энергию 1,8 мегаэлектронвольт (МэВ) и, таким образом, вырабатывают сигнал в детектор.

Если нейтрино обладают массой, они могут колебаться, приобретая ароматы, которые эксперимент может не обнаружить, что приводит к дальнейшему ослаблению или «исчезновению» электронных антинейтрино.. KamLAND расположен на средневзвешенном по потоку расстоянии примерно 180 км от реакторов, что делает его чувствительным к смешиванию нейтрино, связанному с решениями с большим углом смешивания (LMA) для проблемы солнечных нейтрино.

Содержание

1 Детектор KamLAND
2 Результаты
- 2.1 Колебания нейтрино
- 2.2 Геологические антинейтрино (геонейтрино)
- 2.3 Поиск двойного бета-распада KamLAND-Zen
3 Ссылки
4 Дополнительная литература
5 Внешние ссылки

Детектор KamLAND

Внешний слой детектора KamLAND состоит из защитного резервуара из нержавеющей стали диаметром 18 метров с внутренней облицовкой из 1879 фотоумножителя трубки (1325 17 "и 554 20" ФЭУ). Покрытие фотокатода составляет 34%. Его второй, внутренний слой состоит из нейлона баллона диаметром 13 м, заполненного жидким сцинтиллятором, состоящим из 1000 метрических тонн минерального масла <83.>, бензол и флуоресцентные химические вещества. Не сцинтиллирующее, высокоочищенное масло обеспечивает плавучесть баллону и действует как буфер, удерживая баллон на расстоянии от трубок фотоумножителя ; масло также защищает от внешнего излучения. Цилиндрический водяной черенковский детектор мощностью 3,2 килотонны окружает защитный сосуд, действуя как мюонный счетчик вето и обеспечивая защиту от космических лучей и радиоактивность из окружающей породы.

Электронные антинейтрино (. ν. e) обнаруживаются посредством реакции обратного бета-распада $ν ¯ e + p → e + + n {\ displaystyle {\ bar {\ nu}} _ {e } + p \ to e ^ {+} + n}$ ${\ bar {\ nu}} _ {e} + p \ to e ^ {+} + n$ , который имеет 1,8 МэВ $ν ¯ e {\ displaystyle {\ bar {\ nu}} _ {e}}$ ${\ bar {\ nu}} _ {e}$ энергетический порог. Быстрый сцинтилляционный свет от позитрона ( $e + {\ displaystyle e ^ {+}}$ ${\ displaystyle e ^ {+}}$ ) дает оценку падающей энергии антинейтрино, $E ν = E prompt + < E n>+ 0.9 M e V {\ displaystyle E _ {\ nu} = E_ {prompt} + + 0.9MeV}$ $E_{\nu }=E_{prompt}+<E_{n}>+ 0.9MeV$ , где $E prompt {\ displaystyle E_ {prompt}}$ ${\ displaystyle E_ {prompt}}$ - энергия события подсказки, включая позитрон кинетическую энергию и $e + e - {\ displaystyle e ^ {+} e ^ {-}}$ ${\ displaystyle e ^ {+} e ^ {-}}$ энергия аннигиляции. Величина < $E n {\ displaystyle E_ {n}}$ $E_{n}$ >- это средняя энергия отдачи нейтрона, которая составляет всего несколько десятков килоэлектронвольт (кэВ). Нейтрон захватывается водородом примерно через 200 микросекунд (мкс) спустя, испуская характерный 2,2 МэВ . γ. луч. Эта сигнатура отложенного совпадения является очень мощным инструментом для различения антинейтрино fr om фоны, созданные другими частицами.

Чтобы компенсировать потерю потока $ν ¯ e {\ displaystyle {\ bar {\ nu}} _ {e}}$ ${\ bar {\ nu}} _ {e}$ из-за длинной базовой линии, KamLAND имеет гораздо больший объем обнаружения по сравнению с более ранними устройствами. Детектор KamLAND использует массу обнаружения 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. Планируется, что баллон с дополнительным ксеноном будет восстановлен. KamLAND-PICO - это планируемый проект, который установит детектор PICO-LON в Камланде для поиска темной материи. PICO-LON - это радиочистый кристалл NaI (Tl), который наблюдает неупругое рассеяние ядер вимпов. Планируется усовершенствовать детектор, добавив светособирающие зеркала и ФЭУ с более высокой квантовой эффективностью.

Результаты

Осцилляция нейтрино

KamLAND начал сбор данных 17 января 2002 года. Первые результаты были получены с использованием данных всего за 145 дней. Без осцилляции нейтрино ожидалось 86,8 ± 5,6 событий, однако наблюдались только 54 события. KamLAND подтвердил этот результат с помощью 515-дневной выборки данных, 365,2 события было предсказано 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. Это согласуется с осцилляцией 2-нейтрино, и аппроксимация дает значения для параметров Δm и θ. Поскольку KamLAND измеряет Δm наиболее точно, а солнечные эксперименты превышают возможности KamLAND по измерению θ, наиболее точные параметры колебаний получаются в сочетании с результатами по солнечным данным. Такая комбинированная подгонка дает $Δ m 2 = 7,9 - 0,5 + 0,6 ⋅ 10 - 5 эВ 2 {\ displaystyle \ Delta {m ^ {2}} = 7,9 _ {- 0,5} ^ {+ 0,6} \ cdot 10 ^ {- 5} {\ text {eV}} ^ {2}}$ ${\ displaystyle \ Delta {m ^ {2}} = 7.9 _ {- 0.5} ^ {+ 0.6} \ cdot 10 ^ {- 5} {\ text {eV}} ^ {2}}$ и $загар 2 ⁡ θ = 0,40 - 0,07 + 0,10 {\ displaystyle \ tan ^ {2} \ theta = 0,40 _ {- 0.07} ^ {+ 0.10}}$ ${\ displaystyle \ tan ^ {2} \ theta = 0,40 _ {- 0,07} ^ {+ 0.10}}$ , лучшее определение параметров нейтринных осцилляций на тот момент. С тех пор используется модель трех нейтрино.

Прецизионные комбинированные измерения были зарегистрированы в 2008 и 2011 годах:

Δ m 21 2 = 7,59 ± 0,21 ⋅ 10 - 5 эВ 2, tan 2 ⁡ θ 12 = 0,47 - 0,05 + 0,06 {\ displaystyle \ Delta m_ {21} ^ {2} = 7.59 \ pm 0.21 \ cdot 10 ^ {- 5} \, {\ text {eV}} ^ {2}, \, \, \ tan ^ {2} \ theta _ {12 } = 0,47 _ {- 0,05} ^ {+ 0,06}}

{\ displaystyle \ Delta m_ {21} ^ {2} = 7,59 \ pm 0,21 \ cdot 10 ^ {- 5} \, {\ text {eV}} ^ {2}, \, \, \ tan ^ {2} \ theta _ {12} = 0,47 _ {- 0,05} ^ {+ 0,06}}

Геологические антинейтрино (геонейтрино)

KamLAND также опубликовал исследование геологически образованных антинейтрино (так называемых геонейтрино ) в 2005 году. Эти нейтрино образуются при распаде тория и урана в коре и мантии Земли. 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, измеряя тепловой поток U / Th.

Новые результаты в 2013 году, основанные на уменьшении фона из-за остановок японских реакторов, смогли ограничить выработку радиогенного тепла U / Th до $11,2 - 5,1 + 7,9 {\ displaystyle 11.2 _ {- 5.1} ^ {+ 7.9}}$ ${\ displaystyle 11.2 _ {- 5.1} ^ {+ 7.9}}$ TW с использованием 116 $ν ¯ e {\ displaystyle {\ bar {\ nu}} _ {e}}$ ${\ bar {\ nu}} _ {e}$ событий. Это ограничивает модели состава массивной силикатной Земли и согласуется с эталонной моделью Земли.

Поиск двойного бета-распада KamLAND-Zen

KamLAND-Zen использует детектор для изучения бета-распада Xe из воздушного шара, помещенного в сцинтиллятор летом 2011 года. Наблюдения устанавливают предел для безнейтринного двойного распада. Период полураспада бета-распада 1,9 × 10 лет. Было также измерено время жизни двойного бета-распада: $2,38 ± 0,02 (stat) ± 0,14 (syst) ∗ 10 21 {\ displaystyle 2.38 \ pm {0,02 (\ mathrm {stat})} \ pm {0,14 (\ mathrm { syst})} * 10 ^ {21}}$ ${\ displaystyle 2.38 \ pm {0,02 (\ mathrm {stat})} \ pm {0,14 (\ mathrm {syst})} * 10 ^ {21}}$ лет, что согласуется с другими исследованиями ксенона. KamLAND-Zen планирует продолжить наблюдения с более обогащенным Xe и улучшенными компонентами детектора.

Улучшенный поиск был опубликован в августе 2016 года, увеличив предел полураспада до 1,07 × 10 лет, с пределом массы нейтрино 61–165 мэВ.

Первый прибор 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 фазы I и II подразумевают нижнюю границу $1,07 × 10 26 {\ displaystyle 1.07 \ times 10 ^ {26}}$ ${\ displaystyle 1.07 \ times 10 ^ {26}}$ лет для периода полураспада двойного безнейтринного бета-распада.

Вторая экспериментальная установка KamLAND-Zen, KamLAND-Zen 800, с большим баллоном около 750 кг ксенона была установлена в детекторе KamLAND 10 мая 2018 г. Ожидается, что работа начнется зимой. 2018-2019 с ожидаемым сроком эксплуатации 5 лет.

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

Ссылки

Дополнительная литература

Abe, S; и другие. (Сотрудничество KamLAND) (2008). «Прецизионное измерение параметров колебаний нейтрино с помощью KamLAND». Письма о физических проверках. 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.). «Высокочувствительный поиск. ν. eпо солнцу и другим источникам на Камланде». Письма о физических проверках. 92(7): 071301–071305. arXiv : hep-ex / 0310047. Bibcode : 2004PhRvL..92g1301E. doi : 10.1103 / PhysRevLett.92.071301. PMID 14995837.

Внешние ссылки