Podwójny wybór

Logo Double Chooz

Double Chooz był eksperymentem oscylacji neutrin o krótkiej linii bazowej w Chooz we Francji. Jego celem było zmierzenie lub ustalenie limitu kąta mieszania θ ₁₃ , parametru oscylacji neutrin odpowiedzialnego za zamianę neutrin elektronowych w inne neutrina. Eksperyment wykorzystuje reaktory elektrowni jądrowej Chooz jako źródło neutrin i mierzy strumień otrzymywanych przez nie neutrin. Aby to osiągnąć, Double Chooz dysponuje zestawem dwóch detektorów umieszczonych 400 metrów i 1050 metrów od reaktorów. Double Chooz był następcą Chooz ; jeden z jego detektorów zajmuje to samo miejsce, co jego poprzednik. Do stycznia 2015 wszystkie dane były zbierane tylko przy użyciu dalekiego detektora. Detektor bliski został ukończony we wrześniu 2014 r., po opóźnieniach w budowie, i rozpoczął zbieranie danych na początku 2015 r. Oba detektory przestały zbierać dane pod koniec grudnia 2017 r.

Projekt detektora

Double Chooz użył dwóch identycznych ciekłych detektorów scyntylacyjnych domieszkowanych gadolinem, umieszczonych w pobliżu dwóch reaktorów cieplnych o mocy 4,25 GW, aby zmierzyć zanik antyneutrin. Oba detektory są trafnie określane jako „bliskie”, 400 metrów od reaktora; i „daleko”, 1050 metrów od reaktora. Daleki detektor jest umieszczony wewnątrz wzgórza w taki sposób, że 300-metrowa warstwa wody stanowi ekwiwalent osłony przed kosmicznymi mionami. Sam detektor jest kalorymetrycznym ciekłym scyntylatorem składającym się z czterech koncentrycznych cylindrycznych naczyń.

Cel neutrin i łapacz γ

Najbardziej wewnętrzne naczynie jest wykonane z tworzywa akrylowego i ma średnicę 230 cm, wysokość 245,8 cm i grubość 0,8 cm. Ta komora jest wypełniona 10 000 litrów ciekłego scyntylatora zawierającego gadolin (Gd) (1 gram/litr); jest to cel neutrinowy. Następna warstwa to łapacz γ. Otacza tarczę neutrinową warstwą ciekłego scyntylatora wolnego od Gd o grubości 55 cm. Obudowa łapacza γ ma grubość 12 cm i jest wykonana z tego samego materiału co łapacz neutrin. Materiały dobiera się tak, aby oba te naczynia były przezroczyste dla fotonów o długości fali większej niż 400 nm.

Zbiornik buforowy i PMT

Zbiornik buforowy wykonany jest ze stali nierdzewnej 304L o wymiarach 552,2 cm szerokości, 568,0 cm wysokości i 0,3 cm grubości. Pozostała część przestrzeni wewnętrznej, która nie jest zajęta przez podwójne naczynie akrylowe, jest wypełniona nieiskrzącym olejem mineralnym. Na wewnętrznej powierzchni zbiornika buforowego znajduje się 390 10-calowych fotopowielaczy . Celem warstwy buforowej jest ochrona przed radioaktywnością w PMT i otaczających skałach. Te warstwy oprócz celu neutrinowego i łapacza γ są wspólnie określane jako „wewnętrzny detektor”.

Weta wewnętrzne i zewnętrzne

Weto wewnętrzne otacza zbiornik buforowy warstwą migoczącego oleju mineralnego o grubości 50 cm. Ponadto ma 78 8-calowych PMT rozmieszczonych na górze, na dole i po bokach. Ta wewnętrzna warstwa weta służy jako aktywna warstwa weta dla mionów i szybkich neutronów. Otaczająca go stalowa obudowa o grubości 15 cm dodatkowo chroni przed zewnętrznymi promieniami γ. Weto zewnętrzne zakrywa górną część zbiornika czujki. Składa się z pasków o przekroju 5 cm x 1 cm ułożonych w prostopadłych kierunkach.

Zbieranie danych

Sygnały z wewnętrznego detektora i wewnętrznego weta są rejestrowane przez 8-bitową elektronikę flash ADC z częstotliwością próbkowania 500 MHz. Próg wyzwalania dla detektorów jest ustawiony na 350 keV, czyli znacznie mniej niż oczekiwane 1,02 MeV dla antyneutrin elektronowych.

Przez kilka lat Double Chooz działał tylko z dalekim detektorem i używał modeli takich jak Bugey4 do obliczania oczekiwanego strumienia. Ukończony detektor zbliżeniowy pozwoli na zwiększenie precyzji w kolejnych latach zbierania danych.

Techniki eksperymentalne

Mieszanie neutrin

Neutrina są elektrycznie obojętnymi, niezwykle lekkimi cząstkami, które oddziałują tylko słabo, co oznacza, że ​​mogą przemieszczać się na duże odległości, nie będąc zauważonymi. Jedną z właściwości neutrin jest to $mają$ szansę oscylować z smaku ( ) na jest to zasada, zgodnie z którą eksperyment działa. $jest$ ściślejsze ograniczenie wartości mieszania.

Eksperyment Chooz przeprowadzony w latach 90. wykazał, że kąt mieszania jest ograniczony przez ${\ displaystyle \ theta _ {13}}$

${\ Displaystyle \ sin ^ {2} (2 \ teta _ {13}) <0,2}$

co było najlepszym eksperymentalnym górnym limitem od ponad dekady. Celem eksperymentu Double Chooz jest dalsze badanie $kąta$ jeszcze mniejszego regionu

${\ Displaystyle 0,03 <\ sin ^ {2} (2 \ teta _ {13}) <0,2}$

$strumienia,$ mieszania są przeprowadzane poprzez obserwację który wypływa z reaktorów podczas rozszczepienia . Oczekiwany $.$ z reaktorów wynosi około Ponieważ jedna z różnic w masie neutrin jest znacznie mniejsza niż druga, w eksperymencie Double Chooz wystarczy wziąć pod uwagę oscylację dwóch smaków . W modelu dwóch smaków prawdopodobieństwo przeżycia dowolnego neutrina jest modelowane przez

${\ Displaystyle P = 1 - \ sin ^ {2} (2 \ teta _ {13}) \ \ sin ^ {2} \ lewo ({\ Frac {1,27 \ Delta m_ {31} ^ {2} L} {E_{\nu }}}\right)\quad \mathrm {(w\;naturalne\;jednostki).} }$

Tutaj $displaystyle L}$$} _ {e }}$ to długość w metrach, jaką przebyło neutrino, a to energia neutrina . mi $\ displaystyle E _ {$ cząsteczka. Na tej podstawie wartość kąta mieszania można zmierzyć na podstawie amplitudy oscylacji w oscylacjach neutrin reaktora.

obserwacje

Neutrina z reaktora są obserwowane w procesie odwrotnego rozpadu beta (IBD).

${\ Displaystyle {\ bar {\ nu}} _ {e} + p \ do e ^ {+} + n.}$

Ponieważ należy wziąć pod uwagę tło, kandydaci do (IBD) są określani na podstawie następujących kryteriów: energia widzialna z sygnału zachęty musi wynosić od 0,5 do 20 MeV; opóźniony sygnał musi mieć energię między 4 a 10 MeV; różnica czasu między tymi dwoma sygnałami musi wynosić od 0,5 do 150 mikrosekund; odległość między wierzchołkami dwóch sygnałów powinna być mniejsza niż 100 cm; i żadne inne sygnały (z wyjątkiem sygnału opóźnionego) nie zostały znalezione 200 mikrosekund przed lub 600 mikrosekund po sygnale zachęty. Wykrywanie sygnału natychmiastowego osiągnęło prawie 100% skuteczność, jednak wykrycie opóźnionego sygnału nie jest tak łatwe ze względu na takie problemy, jak modele koncentracji Gd i rozpraszania neutronów.

Wyniki

Kąt mieszania

Seulu zaprezentowano pierwsze wyniki eksperymentu, wykorzystując dane z 228 dni, wskazujące na niezerową wartość θ ₁₃ , a następnie artykuł przesłany do arXiv w grudniu 2011 r. W PRL-u artykuł (opublikowany w 2012 r.), hipoteza zerowej oscylacji θ ₁₃ została wykluczona przy 2,9 sigma, łącząc dane dotyczące znikania z eksperymentu Double Chooz i dane dotyczące wyglądu z eksperymentu T2K, które zostały opublikowane zaledwie kilka miesięcy wcześniej. Wynik ten stał się zarówno najważniejszym dowodem w tamtym czasie, jak i pierwszym dokładnym pomiarem amplitudy θ ₁₃ . Zaledwie kilka miesięcy później eksperyment Daya Bay dostarczył potwierdzającego pomiaru i ostatecznego odkrycia (tj. istotności ≥5 σ ). Centralne wartości zarówno eksperymentów Double Chooz, jak i Daya Bay były w doskonałej zgodności i tak pozostało (w granicach ≤2 σ ) do tej pory. Podobna technika łączenia analiz, jaką przeprowadzono w eksperymencie Double Chooz w 2012 r., Została zastosowana w eksperymencie T2K w celu uzyskania pierwszych ograniczeń dotyczących niezerowej fazy naruszenia CP w 2020 r.

Wychwyt neutronów na wodorze wykorzystano do uzyskania niezależnych danych, które przeanalizowano w celu uzyskania oddzielnego pomiaru w 2013 r.:

${\ Displaystyle \ sin ^ {2} (2 \ theta _ {13}) = 0,097 \ pm 0,034 \, \ operatorname {(stat)} \ pm 0,034 \, \ operatorname {(syst)}.}$

Physics Letters B opublikowano pomiar niezależny od tła :

${\ Displaystyle \ sin ^ {2} (2 \ theta _ {13}) = 0,102 \ pm 0,028 \, \ operatorname {(stat)} \ pm 0,033 \, \ operatorname {(syst)}.}$

Ulepszony pomiar ze zmniejszonym tłem i systematycznymi niepewnościami po 467,90 dniach danych został opublikowany w Journal of High Energy Physics w 2014 roku:

${\ Displaystyle \ sin ^ {2} (2 \ teta _ {13}) = 0,090_ {-0,029} ^ {+ 0,032}.}$

Inne wyniki

Double Chooz był w stanie zidentyfikować tworzenie się pozytonium w swoim detektorze, który opóźnia anihilację pozytonów i zniekształca sygnał scyntylacyjny. Opracowano algorytm znakowania, który można zastosować w detektorach neutrin w celu lepszego odrzucania tła, co podobnie zrobił Borexino dla kosmogenicznego ^11C . Zmierzony czas życia orto-pozytonium wyniósł 3,68 ± 0,15 ns , co jest zgodne z innymi dedykowanymi konfiguracjami.

Ustalono również limity parametrów łamania Lorentza.

Bibliografia

•   Apollonio, M.; i in. (2003). „Poszukiwanie oscylacji neutrin na długiej linii bazowej w elektrowni jądrowej CHOOZ”. Europejski Dziennik Fizyczny C. 27 (3): 331–374. arXiv : hep-ex/0301017 . Bibcode : 2003EPJC...27..331A . doi : 10.1140/epjc/s2002-01127-9 . S2CID 14226312 .
• Ardellier, F.; i in. (2006). „Double Chooz: poszukiwanie kąta mieszania neutrin θ ₁₃ ”. arXiv : hep-ex/0606025 .
•   Huber, P.; i in. (2006). „Od Double Chooz do Triple Chooz - fizyka neutrin w kompleksie reaktorów Chooz”. Journal of High Energy Physics . 0605 (72): 072. arXiv : hep-ph/0601266 . Bibcode : 2006JHEP...05..072H . doi : 10.1088/1126-6708/2006/05/072 . S2CID 13576581 .

Linki zewnętrzne

• Strona główna projektu