Eksperyment STEREO

Eksperyment STEREO ( Search for St rile Re aktor Neutrino O scillations) bada możliwą oscylację neutrin z reaktora jądrowego w lekkie, tzw. sterylne neutrina . Znajduje się w Institut Laue-Langevin (ILL) w Grenoble we Francji. Eksperyment zaczął działać i zbierać dane w listopadzie 2016 r.

Detektor

Zasada pomiaru

Rysunek 2: Porównanie różnych widm w odległości 10 m i 12 m od reaktora. Czarna linia pokazuje przypadek bez oscylacji w sterylne neutrina, podczas gdy niebieska i czerwona pokazują przypadek, w tym oscylację w lekkie sterylne neutrina

Detektor STEREO umieszczony jest w odległości 10 m od reaktora badawczego w ILL. Reaktor badawczy ma moc cieplną 58 MW. STEREO ma mierzyć strumień i widmo neutrin w pobliżu reaktora. Aby móc wykryć neutrina wypromieniowane z reaktora, detektor jest wypełniony 1800 litrami ciekłego scyntylatora organicznego domieszkowanego gadolinem . Wewnątrz scyntylatora neutrina są wychwytywane w procesie odwrotnego rozpadu beta

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

W procesie tym powstaje pozyton . Kiedy pozyton przechodzi przez scyntylator, wytwarzany jest sygnał świetlny, który jest wykrywany przez 48 fotopowielaczy (PMT) umieszczonych na górze komórek detektora. Wychwycenie neutronu , który jest również wytwarzany podczas odwrotnego rozpadu beta, wytwarza drugi sygnał koincydencji.

Oczekiwana odległość między maksimum a minimum oscylacji lekkich sterylnych neutrin wynosi około 2 m. Aby zobaczyć oscylację, detektor jest podzielony na 6 oddzielnych komórek detektora, z których każda mierzy widmo energii wykrytych neutrin. Porównując zmierzone widma, można było wykryć możliwą oscylację (patrz rysunek 2).

Eksperyment STEREO $wykrywa$ .

Osłona detektora

Neutrina oddziałują tylko słabo . Dlatego detektory neutrin, takie jak STEREO, muszą być bardzo czułe i potrzebują dobrego ekranowania przed dodatkowymi sygnałami tła, aby móc precyzyjnie wykrywać neutrina.

Aby osiągnąć tak wysoką czułość, 6 wewnętrznych komórek detektora jest otoczonych ciekłym scyntylatorem (bez gadolinu), który działa jak „łapacz promieniowania gamma” wykrywający wchodzące i wychodzące promieniowanie gamma . Znacząco zwiększa to skuteczność detekcji oraz rozdzielczość energetyczną detektora. Detektor Czerenkowa wypełniony wodą jest umieszczony na górze detektora w celu wykrywania kosmicznych mionów które są wytwarzane w atmosferze i w przeciwnym razie działałyby jako duże źródło tła. Aby osłonić detektor przed źródłami radioaktywnymi pochodzącymi z okolicznych eksperymentów, jest on otoczony i osłonięty wieloma warstwami (65 t), głównie ołowiu i polietylenu, ale także żelaza, stali i B $\ displaystyle {\ ce {B_4C}}}$ .

Motywacja

Ryc. 3: Anomalia antyneutrino-reaktora (RAA)

Chociaż oscylacja neutrin jest dziś zjawiskiem dość dobrze poznanym, wciąż istnieją pewne obserwacje eksperymentalne, które kwestionują kompletność naszego zrozumienia. Najważniejszą z tych obserwacji jest tak zwana anomalia antyneutrinowa reaktora (RAA) (patrz ryc. 3). Szereg krótkich eksperymentów z reaktorem bazowym z neutrinami zmierzyło znacznie niższy strumień neutrin antyelektronowych ( $ν e$ ) w porównaniu z przewidywaniami teoretycznymi (odchylenie 2,7 $σ$ ). Dalsze anomalie eksperymentalne to nieoczekiwane pojawienie się $v e$ w krótkiej linii bazowej $ν μ$ (anomalia LSND), jak również zanik $ν e$ na krótkich odległościach podczas fazy kalibracji eksperymentów GALLEX i SAGE, znany jako anomalia neutrin galowych.

Rysunek 4: Obrys wykluczenia narysowany przez najnowsze dane STEREO w płaszczyźnie amplitudy oscylacji w kierunku hipotetycznego 4-tego neutrina (oś pozioma) i częstotliwości tej oscylacji (oś pionowa). Niebieski obszar pokazuje oczekiwane pokrycie wykluczeń przy dostępnej precyzji statystycznej, które można by uzyskać, gdyby wszystkie obserwable STEREO odpowiadały dokładnie oczekiwaniom bez czwartego neutrina. Czerwony obszar to rzeczywisty kontur wykluczenia oparty na zmierzonych danych, powodujący statystyczne fluktuacje wokół niebieskiej granicy. Wszystkie punkty wewnątrz czerwonego konturu są wykluczone z co najmniej 90% poziomem ufności. Wynik ten odrzuca dużą część domeny istnienia czwartego neutrina przewidywanej na podstawie anomalii neutrin w reaktorze (zaznaczonej czarnymi konturami).

Anomalie te mogą oznaczać, że nasze zrozumienie oscylacji neutrin nie jest jeszcze kompletne i że neutrina oscylują w inny 4. gatunek neutrin. Jednak pomiary szerokości rozpadu bozonu Z w Wielkim Zderzaczu Elektronowo-Pozytonowym (LEP) wykluczają istnienie czwartego lekkiego „aktywnego” (tj. oddziałującego przez oddziaływanie słabe) neutrina. Dlatego oscylacja w dodatkowe lekkie „sterylne” neutrina jest uważana za możliwe wyjaśnienie obserwowanych anomalii. Ponadto sterylne neutrina pojawiają się w wielu znaczących rozszerzeniach Model Standardowy fizyki cząstek elementarnych , np. w mechanizmie huśtawki typu 1.

Wyniki z grudnia 2019 r

Wstępne wyniki zostały opublikowane w 2018 roku, wykorzystując zestaw danych z 66 dni włączenia reaktora. Większość przestrzeni parametrów, która mogła odpowiadać za RAA, została wykluczona na poziomie ufności 90%. Zaktualizowane wyniki w grudniu 2019 r. opierają się na ≈ 65 500 wykrytych neutrin (łącznie faza 1 i 2, 179 dni danych dotyczących reaktora). Korzystając z aktualnych danych, obszar wykluczenia jest dalej rozszerzany (patrz ryc. 4).

Linki zewnętrzne