Жидкостный сцинтилляционный антинейтринный детектор Kamioka

Эксперимент по нейтринным осцилляциям в Японии

Схема детектора KamLAND

36°25′21″с.ш. 137°18′55″в.д. / 36,4225°с.ш. 137,3153°в.д. / 36,4225; 137,3153 ^{[1] : 105}Детектор антинейтрино с жидким сцинтиллятором Kamioka (KamLAND) — это детектор электронных антинейтрино в обсерватории Камиока , подземном центре по обнаружению нейтрино в Хиде, Гифу , Япония . Устройство расположено в шахтном стволе в старой полости KamiokaNDE в Японских Альпах . Хотя обсерватория Камиока находится в Токийском университете , этот проект реализуется группой из Университета Тохоку . Площадка окружена 53 японскими коммерческими ядерными реакторами . Ядерные реакторы производят электронные антинейтрино ( ) во время распада радиоактивных продуктов деления в ядерном топливе . Подобно интенсивности света от лампочки или далекой звезды, изотропно излучаемый поток уменьшается в соотношении 1/R ² с увеличением расстояния R от реактора. Устройство чувствительно к 25% антинейтрино от ядерных реакторов , энергия которых превышает пороговое значение в 1,8 мегаэлектронвольта (МэВ), и, таким образом, выдает сигнал в детекторе. ${\displaystyle {\bar {\nu }}_{e}}$ ${\displaystyle {\bar {\nu }}_{e}}$

Если нейтрино имеют массу, они могут осциллировать в ароматы , которые эксперимент может не обнаружить, что приводит к дальнейшему затемнению или «исчезновению» электронных антинейтрино. KamLAND находится на среднем расстоянии по потоку, взвешенном примерно в 180 километрах от реакторов, что делает его чувствительным к смешиванию нейтрино, связанному с решениями с большим углом смешивания (LMA) для проблемы солнечных нейтрино .

Детектор KamLAND

Внешний слой детектора KamLAND состоит из защитного сосуда из нержавеющей стали диаметром 18 метров с внутренней облицовкой из 1879 фотоэлектронных умножителей (1325 17-дюймовых и 554 20-дюймовых ФЭУ). ^[2] Покрытие фотокатода составляет 34%. Его второй, внутренний слой состоит изНейлоновый шар диаметром 13 м , заполненный жидким сцинтиллятором, состоящим из 1000 метрических тонн минерального масла , бензола и флуоресцентных химикатов. Несцинтилляционное, высокоочищенное масло обеспечивает плавучесть шара и действует как буфер, удерживающий шар вдали от фотоумножительных трубок; масло также защищает от внешнего излучения. Цилиндрический водный черенковский детектор мощностью 3,2 килотонны окружает защитную оболочку, действуя как счетчик мюонного вето и обеспечивая защиту от космических лучей и радиоактивности окружающей породы.

Электронные антинейтрино (
ν
_е) обнаруживаются посредством реакции обратного бета-распада , которая имеет энергетический порог 1,8 МэВ . Свет мгновенной сцинтилляции от позитрона ( ) дает оценку энергии падающего антинейтрино, , где - энергия мгновенного события, включающая кинетическую энергию позитрона и энергию аннигиляции . Величина < > - это средняя энергия отдачи нейтрона , которая составляет всего несколько десятков килоэлектронвольт (кэВ). Нейтрон захватывается водородом примерно через 200 микросекунд (мкс), испуская характерный ${\displaystyle {\bar {\nu }}_{e}+p\to e^{+}+n}$ ${\displaystyle {\bar {\nu }}_{e}}$ ${\displaystyle e^{+}}$ ${\displaystyle E_{\nu }=E_{prompt}+<E_{n}>+0.9MeV}$ ${\displaystyle E_{prompt}}$ ${\displaystyle e^{+}e^{-}}$ ${\displaystyle E_{n}}$2,2 МэВ γray . Эта сигнатура задержанных совпадений является очень мощным инструментом для различения антинейтрино от фонового излучения, создаваемого другими частицами.

Чтобы компенсировать потерю потока 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. ${\displaystyle {\bar {\nu }}_{e}}$

В рамках поиска двойного бета-распада Kamland-Zen в 2011 году в центре детектора был подвешен баллон сцинтиллятора с 320 кг растворенного ксенона. ^[3] Планируется более чистый перестроенный баллон с дополнительным ксеноном. KamLAND-PICO — это запланированный проект, в рамках которого в KamLand будет установлен детектор PICO-LON для поиска темной материи. PICO-LON — это радиоактивно чистый кристалл NaI(Tl), который наблюдает неупругое рассеяние WIMP-ядер. ^[4] Планируется усовершенствование детектора, добавление светособирающих зеркал и ФЭУ с более высокой квантовой эффективностью.

Результаты

Осцилляция нейтрино

KamLAND начал собирать данные 17 января 2002 года. Первые результаты были получены с использованием данных всего за 145 дней. ^[5] Без нейтринных осцилляций ,Ожидалось 86,8 ± 5,6 событий, однако было замечено только 54 события. KamLAND подтвердил этот результат с помощью выборки данных за 515 дней, ^[6] 365,2 событий были предсказаны при отсутствии осцилляций, и было замечено 258 событий. Эти результаты установили исчезновение антинейтрино с высокой значимостью.

Детектор KamLAND не только подсчитывает частоту антинейтрино, но и измеряет их энергию. Форма этого энергетического спектра несет дополнительную информацию, которая может быть использована для исследования гипотез осцилляций нейтрино. Статистический анализ 2005 года показал, что искажение спектра не согласуется с гипотезой отсутствия осцилляций и двумя альтернативными механизмами исчезновения, а именно моделями распада и декогерентности нейтрино. ^{[7] [ необходима цитата ]} Это согласуется с осцилляцией 2-нейтрино, и подгонка дает значения для параметров Δm ² и θ. Поскольку KamLAND измеряет Δm ² наиболее точно, а солнечные эксперименты превосходят способность KamLAND измерять θ, самые точные параметры осцилляций получаются в сочетании с солнечными результатами. Такая комбинированная подгонка дает и , лучшее определение параметра осцилляций нейтрино на тот момент. С тех пор использовалась модель 3-нейтрино. ${\displaystyle \Delta {m^{2}}=7.9_{-0.5}^{+0.6}\cdot 10^{-5}{\text{eV}}^{2}}$ ${\displaystyle \tan ^{2}\theta =0.40_{-0.07}^{+0.10}}$

Точные комбинированные измерения были опубликованы в 2008 ^[8] и 2011 годах: ^[9]

${\displaystyle \Delta m_{21}^{2}=7.59\pm 0.21\cdot 10^{-5}\,{\text{eV}}^{2},\,\,\tan ^{2}\theta _{12}=0.47_{-0.05}^{+0.06}}$

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 земной коре и мантии . ^[10] Было обнаружено несколько геонейтрино, и эти ограниченные данные были использованы для ограничения радиомощности U/Th до уровня ниже 60 ТВт.

Результаты комбинированного исследования с Borexino были опубликованы в 2011 году ^[11] с измерением теплового потока U/Th.

Новые результаты 2013 года, полученные благодаря уменьшению фоновых значений из-за остановок японских реакторов, позволили ограничить радиогенное тепловыделение U/Th до ТВт ^[12] с использованием 116 событий. Это ограничивает модели состава объемной силикатной Земли и согласуется с референтной моделью Земли. ${\displaystyle 11.2_{-5.1}^{+7.9}}$ ${\displaystyle {\bar {\nu }}_{e}}$

KamLAND-Zen Двойной Бета Распад Поиск

KamLAND-Zen использует детектор для изучения бета-распада ¹³⁶ Xe из баллона, помещенного в сцинтиллятор летом 2011 года. Наблюдения устанавливают предел для безнейтринного периода полураспада двойного бета-распада1,9 × 10 ²⁵  лет . ^[13] Также было измерено двойное время жизни бета-распада:  год, что согласуется с другими исследованиями ксенона. ^[3] KamLAND-Zen планирует продолжить наблюдения с более обогащенным Xe и улучшенными компонентами детектора. ${\displaystyle 2.38\pm {0.02(\mathrm {stat} )}\pm {0.14(\mathrm {syst} )}*10^{21}}$

Улучшенный поиск был опубликован в августе 2016 года, увеличив предельный период полураспада до1,07 × 10 ²⁶  лет , с массой нейтрино, ограниченной 61–165 мэВ. ^[14]

Первый аппарат KamLAND-Zen, KamLAND-Zen 400 , завершил две исследовательские программы, Фаза I (2011 окт. - 2012 июнь) и Фаза II (2013 дек. - 2015 окт.). Объединенные данные Фаз I и II подразумевали нижние граничные годы для периода полураспада двойного бета-распада без нейтрино. KamLAND-Zen 400 работал с октября 2011 по октябрь 2015 года, а затем был заменен на KamLAND-Zen 800. ^[15] ${\displaystyle 1.07\times 10^{26}}$

Второй экспериментальный аппарат KamLAND-Zen, KamLAND-Zen 800 , с большим баллоном около 750 кг ксенона был установлен в детекторе KamLAND 10 мая 2018 года. Ожидалось, что эксплуатация начнется зимой 2018-2019 годов, а предполагаемый срок эксплуатации составит 5 лет. ^[16]

Эксперимент KamLAND-Zen 800 начал сбор данных в январе 2019 года, а первые результаты были опубликованы в 2020 году. ^[17] В марте 2022 года коллаборация KamLAND-Zen, использующая KamLAND-Zen 800, опубликовала результаты о безнейтринном двойном бета-распаде в Xe-136, используя данные, собранные в период с 5 февраля 2019 года по 8 мая 2021 года. Безнейтринный двойной бета-распад не наблюдался, и установленная нижняя граница для периода полураспада составила T > года, что соответствует верхним пределам эффективной массы майорановских нейтрино 36–156 мэВ. ^[18] ${\displaystyle 2.3\times 10^{26}}$

В долгосрочной перспективе сотрудничество KamLAND-Zen планирует построить еще один аппарат — KamLAND2-Zen .

Ссылки

1. Ивамото, Тосиюки (февраль 2003 г.), Измерение исчезновения антинейтрино реактора в KamLAND (PDF) (диссертация на соискание степени доктора философии), Университет Тохоку, архивировано из оригинала (PDF) 2014-10-06
2. Suzuki, Atsuto; Collaboration, KamLand (2005-01-01). "Результаты обнаружения нейтрино реактора KamLAND". Physica Scripta . 2005 (T121): 33. Bibcode : 2005PhST..121...33S. doi : 10.1088/0031-8949/2005/T121/004. ISSN  1402-4896. S2CID  250737408.
3. Gando, A.; et al. (KamLAND-Zen Collaboration) (19 апреля 2012 г.). "Измерение периода полураспада двойного β-распада ¹³⁶ Xe с помощью эксперимента KamLAND-Zen". Physical Review C. 85 ( 4): 045504. arXiv : 1201.4664 . Bibcode : 2012PhRvC..85d5504G. doi : 10.1103/PhysRevC.85.045504. S2CID  123986835.
4. Фушими, К; и др. (2013). "PICO-LON Dark Matter Search". Journal of Physics: Conference Series . 469 (1): 012011. Bibcode : 2013JPhCS.469a2011F. doi : 10.1088/1742-6596/469/1/012011 .
5. Eguchi, K.; et al. (KamLAND Collaboration) (2003). «Первые результаты KamLAND: доказательства исчезновения антинейтрино в реакторе». Physical Review Letters . 90 (2): 021802–021807. arXiv : hep-ex/0212021 . Bibcode : 2003PhRvL..90b1802E. doi : 10.1103/PhysRevLett.90.021802. PMID  12570536. S2CID  119344739.
6. Араки, Т.; и др. (KamLAND Collaboration) (2005). «Измерение нейтринных осцилляций с помощью KamLAND: доказательства спектрального искажения». Physical Review Letters . 94 (8): 081801–081806. arXiv : hep-ex/0406035 . Bibcode : 2005PhRvL..94h1801A. doi : 10.1103/PhysRevLett.94.081801. PMID  15783875. S2CID  119098950.
7. Антонелли, В.; Мирамонти, Л.; Пенья Гарай, К.; Серенелли, А. (2013). «Солнечные нейтрино». Достижения физики высоких энергий . 2013 : 1–34. дои : 10.1155/2013/351926 . hdl : 2434/219153 . ISSN  1687-7357.
8. Abe, S.; et al. (KamLAND Collaboration) (5 июня 2008 г.). "Точное измерение параметров осцилляций нейтрино с помощью KamLAND". Physical Review Letters . 100 (22): 221803. arXiv : 0801.4589 . Bibcode :2008PhRvL.100v1803A. doi :10.1103/PhysRevLett.100.221803. PMID  18643415. S2CID  119291217.
9. Гандо, А.; и др. (2011). "Ограничения на θ ₁₃ из анализа трехкомпонентных осцилляций реакторных антинейтрино в KamLAND". Physical Review D. 83 ( 5): 052002. arXiv : 1009.4771 . Bibcode : 2011PhRvD..83e2002G. doi : 10.1103/PhysRevD.83.052002. S2CID  118444976.
10. Араки, Т.; и др. (KamLAND Collaboration) (2005). «Экспериментальное исследование геологически произведенных антинейтрино с помощью KamLAND». Nature . 436 (7050): 499–503. Bibcode :2005Natur.436..499A. doi :10.1038/nature03980. PMID  16049478. S2CID  4367737.
11. Гандо, А.; и др. (KamLAND Collaboration) (17 июля 2011 г.). "Частичная радиогенная тепловая модель Земли, выявленная с помощью измерений геонейтрино" (PDF) . Nature Geoscience . 4 (9): 647–651. Bibcode : 2011NatGe...4..647K. doi : 10.1038/ngeo1205.
12. A. Gando et al. (KamLAND Collaboration) (2 августа 2013 г.). "Измерение антинейтрино в режиме включения-выключения реактора с помощью KamLAND". Physical Review D . 88 (3): 033001. arXiv : 1303.4667 . Bibcode :2013PhRvD..88c3001G. doi :10.1103/PhysRevD.88.033001. S2CID  55754667.
13. Гандо, А.; и др. (KamLAND-Zen Collaboration) (7 февраля 2013 г.). "Ограничение безнейтринного ββ-распада ¹³⁶ Xe из первой фазы KamLAND-Zen и сравнение с положительным утверждением в ⁷⁶ Ge". Physical Review Letters . 110 (6): 062502. arXiv : 1211.3863 . Bibcode :2013PhRvL.110f2502G. doi :10.1103/PhysRevLett.110.062502. PMID  23432237. S2CID  32541533.
14. Гандо, А.; и др. (KamLAND-Zen Collaboration) (16 августа 2016 г.). "Поиск майорановских нейтрино вблизи области инвертированной иерархии масс с помощью KamLAND-Zen". Physical Review Letters . 117 (8): 082503. arXiv : 1605.02889 . Bibcode :2016PhRvL.117h2503G. doi :10.1103/PhysRevLett.117.082503. PMID  27588852. S2CID  204937469.
15. Abe, S.; et al. (2022). "Поиск коррелированных низкоэнергетических электронных антинейтрино в KamLAND с гамма-всплесками". The Astrophysical Journal . 927 (1): 69. arXiv : 2112.04918 . Bibcode :2022ApJ...927...69A. doi : 10.3847/1538-4357/ac4e7e . S2CID  245006046.
16. Ёшихито, Гандо (14 сентября 2018 г.). «Поиск безнейтринного двойного бета-распада с помощью KamLAND-Zen» (PDF) . web2.ba.infn.it. ​Проверено 4 ноября 2023 г.
17. Гандо, Ёсихито (2020). «Первые результаты KamLAND-Zen 800». Журнал физики: Серия конференций . 1468 : 012142. doi : 10.1088/1742-6596/1468/1/012142 . S2CID  229257322.
18. Сотрудничество, KamLAND-Zen (2023). "Поиск майорановской природы нейтрино в области обратного массового порядка с помощью KamLAND-Zen". Physical Review Letters . 130 (5): 051801. arXiv : 2203.02139 . Bibcode : 2023PhRvL.130e1801A. doi : 10.1103/PhysRevLett.130.051801. PMID  36800472. S2CID  247244665.

Дальнейшее чтение

• Abe, S; et al. (KamLAND Collaboration) (2008). "Точное измерение параметров осцилляций нейтрино с помощью KamLAND". Physical Review Letters . 100 (22): 221803. arXiv : 0801.4589 . Bibcode :2008PhRvL.100v1803A. doi :10.1103/PhysRevLett.100.221803. PMID  18643415. S2CID  119291217.
• Эгучи, К; и др. (KamLAND Collaboration) (2004). "Высокочувствительный поиск
  ν
  _е's от солнца и других источников в KamLAND". Physical Review Letters . 92 (7): 071301–071305. arXiv : hep-ex/0310047 . Bibcode : 2004PhRvL..92g1301E. doi : 10.1103/PhysRevLett.92.071301. PMID  14995837. S2CID  119360978.

Внешние ссылки

• KamLAND официальный сайт
• KamLAND в Национальной лаборатории Лоуренса в Беркли (Berkeley Lab)
• Экспериментальная запись KamLAND на INSPIRE-HEP