Жидкостный сцинтилляционный детектор антинейтрино Kamioka

Эксперимент по осцилляциям нейтрино 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}Жидкостный сцинтилляционный детектор антинейтрино Камиока (KamLAND) — это электронный детектор антинейтрино в обсерватории Камиока , подземном центре обнаружения нейтрино в Хиде, Гифу , Япония . Устройство расположено в штольне шахты в старой полости КамиокаНДЭ в Японских Альпах . Хотя этот проект расположен в обсерватории Камиока, которая является частью Токийского университета , его осуществляет команда Университета Тохоку . Объект окружен 53 японскими коммерческими ядерными реакторами . Ядерные реакторы производят электронные антинейтрино ( ) при распаде радиоактивных продуктов деления в ядерном топливе . Подобно интенсивности света лампочки или далекой звезды, изотропно излучаемый поток уменьшается на 1/R ² при увеличении расстояния R от реактора. Устройство чувствительно примерно к 25% антинейтрино из ядерных реакторов , энергия которых превышает пороговую величину в 1,8 мегаэлектронвольт (МэВ), и таким образом генерирует сигнал в детекторе. ${\displaystyle {\bar {\nu }}_{e}}$ ${\displaystyle {\bar {\nu }}_{e}}$

Если нейтрино имеют массу, они могут излучать ароматы , которые эксперимент не может обнаружить, что приводит к дальнейшему затемнению или «исчезновению» электронных антинейтрино. KamLAND расположен на среднем расстоянии примерно 180 километров от реакторов, что делает его чувствительным к смешиванию нейтрино, связанному с решением проблемы солнечных нейтрино с большим углом смешивания (LMA) .

КамЛАНД Детектор

Внешний слой детектора KamLAND состоит из защитной оболочки из нержавеющей стали диаметром 18 метров с внутренней облицовкой из 1879 фотоумножителей (1325 17-дюймовых и 554 20-дюймовых ФЭУ). ^[2] Заполнение фотокатода составляет 34%. Второй его внутренний слой состоит изНейлоновый шар диаметром 13 м , наполненный жидким сцинтиллятором , состоящим из 1000 метрических тонн минерального масла , бензола и флуоресцентных химикатов. Несверкающее, высокоочищенное масло обеспечивает плавучесть баллона и действует как буфер, предохраняющий баллон от фотоумножителей ; 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 . Мгновенное мерцание позитрона ( ) дает оценку энергии падающего антинейтрино, , где – энергия мгновенного события, включая кинетическую энергию позитрона и энергию аннигиляции . Величина < > представляет собой среднюю энергию отдачи нейтрона , составляющую всего несколько десятков килоэлектронвольт (кэВ). Нейтрон захватывается водородом примерно на 200 микросекунд (мкс) позже, излучая 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 γлуч . Эта сигнатура запаздывающего совпадения — очень мощный инструмент для отличия антинейтрино от фона , создаваемого другими частицами.

Чтобы компенсировать потерю потока из-за длинной базы, KamLAND имеет гораздо больший объем обнаружения по сравнению с более ранними устройствами. Детектор KamLAND использует детекторную массу массой 1000 метрических тонн, что более чем в два раза больше, чем у 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 Камланд-Зен в 2011 году в центре детектора был подвешен баллон со сцинтиллятором с 320 кг растворенного ксенона. ^[3] Планируется перестроить более чистый баллон с дополнительным ксеноном. KamLAND-PICO — это запланированный проект, в рамках которого на КамЛэнде будет установлен детектор PICO-LON для поиска темной материи. PICO-LON представляет собой радиочистый кристалл NaI(Tl), в котором наблюдается неупругое рассеяние вимпов-ядер. ^[4] Планируются усовершенствования детектора, добавление светособирающих зеркал и ФЭУ с более высокой квантовой эффективностью.

Полученные результаты

Нейтринные осцилляции

KamLAND начал сбор данных 17 января 2002 года. Первые результаты были получены с использованием данных только за 145 дней. ^[5] Без нейтринных осцилляций ,Ожидалось 86,8 ± 5,6 событий, однако наблюдалось только 54 события. KamLAND подтвердил этот результат на выборке данных за 515 дней, ^[6] 365,2 события были предсказаны в отсутствие колебаний и 258 событий наблюдались. Эти результаты установили высокую значимость исчезновения антинейтрино.

Детектор KamLAND не только подсчитывает скорость антинейтрино, но и измеряет их энергию. Форма этого энергетического спектра несет дополнительную информацию, которую можно использовать для исследования гипотез о осцилляциях нейтрино. Статистический анализ 2005 года показывает, что искажение спектра несовместимо с гипотезой отсутствия колебаний и двумя альтернативными механизмами исчезновения, а именно моделями распада нейтрино и декогеренции. ^{[ нужна цитация ]} Это согласуется с 2-нейтринными осцилляциями, и подгонка дает значения параметров Δm ² и θ. Поскольку KamLAND измеряет Δm ² наиболее точно, а солнечные эксперименты превосходят возможности KamLAND по измерению θ, наиболее точные параметры колебаний получаются в сочетании с солнечными результатами. Такая комбинированная аппроксимация дает и , лучшее на тот момент определение параметров нейтринных осцилляций. С тех пор используется трехнейтринная модель. ${\displaystyle \Delta {m^{2}}=7.9_{-0.5}^{+0.6}\cdot 10^{-5}{\text{eV}}^{2}}$ ${\displaystyle \tan ^{2}\theta =0.40_{-0.07}^{+0.10}}$

Сообщалось о прецизионных комбинированных измерениях в 2008 ^[7] и 2011 годах: ^[8]

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

Геологические антинейтрино (геонейтрино)

KamLAND также опубликовал исследование геологически произведенных антинейтрино (так называемых геонейтрино ) в 2005 году. Эти нейтрино образуются при распаде тория и урана в земной коре и мантии . ^[9] Было обнаружено несколько геонейтрино, и эти ограниченные данные были использованы для ограничения радиомощности U/Th до уровня ниже 60 ТВт.

Результаты комбинирования с Borexino были опубликованы в 2011 году ^[10] при измерении теплового потока U/Th.

Новые результаты 2013 года, благодаря снижению фона из-за остановки японского реактора, позволили ограничить выделение радиогенного тепла U/Th до уровня TW ^[11] с использованием 116 событий. Это ограничивает модели состава основной силикатной Земли и согласуется с эталонной моделью Земли. ${\displaystyle 11.2_{-5.1}^{+7.9}}$ ${\displaystyle {\bar {\nu }}_{e}}$

Поиск двойного бета-распада KamLAND-Zen

KamLAND-Zen использует детектор для изучения бета-распада ¹³⁶ Xe из воздушного шара, помещенного в сцинтиллятор летом 2011 года. Наблюдения установили предел периода полураспада безнейтринного двойного бета-распада в1,9 × 10 ²⁵  лет . ^[12] Также было измерено время жизни двойного бета-распада:  год, что согласуется с другими исследованиями ксенона. ^[3] В планах KamLAND-Zen продолжить наблюдения с использованием более обогащенного Xe и улучшенных компонентов детектора. ${\displaystyle 2.38\pm {0.02(\mathrm {stat} )}\pm {0.14(\mathrm {syst} )}*10^{21}}$

В августе 2016 года был опубликован улучшенный поиск, в результате которого предел периода полураспада был увеличен до1,07 × 10 ²⁶  лет , с границей массы нейтрино 61–165 мэВ. ^[13]

Первый аппарат KamLAND-Zen, KamLAND-Zen 400 , завершил две исследовательские программы: Фазу I (октябрь 2011 г. – июнь 2012 г.) и Фазу II (декабрь 2013 г. – октябрь 2015 г.). Объединенные данные Фазы I и II подразумевают нижнюю границу периода полураспада безнейтринного двойного бета-распада в годах. KamLAND-Zen 400 работал с октября 2011 г. по октябрь 2015 г., а затем был заменен KamLAND-Zen 800. ^[14] ${\displaystyle 1.07\times 10^{26}}$

Второй экспериментальный аппарат KamLAND-Zen, KamLAND-Zen 800 , с большим баллоном примерно 750 кг ксенона, был установлен в детекторе KamLAND 10 мая 2018 года. Ожидалось, что операция начнется зимой 2018-2019 годов с ожидаемым сроком эксплуатации 5 лет. ^[15]

Эксперимент KamLAND-Zen 800 начал сбор данных в январе 2019 года, а первые результаты были опубликованы в 2020 году. ^[16] В марте 2022 года коллаборация KamLAND-Zen, использующая KamLAND-Zen 800, опубликовала результаты о безнейтрильном двойном бета-распаде Xe-136 с использованием данные собраны в период с 5 февраля 2019 г. по 8 мая 2021 г. Безнейтринный двойной бета-распад не наблюдался, а установленная нижняя граница периода полураспада составила T > yr, что соответствует верхним пределам эффективной майорановской массы нейтрино 36 – 156 мэВ. . ^[17] ${\displaystyle 2.3\times 10^{26}}$

В перспективе коллаборация KamLAND-Zen планирует построить еще один аппарат KamLAND2-Zen .

Рекомендации

1. Ивамото, Тосиюки (февраль 2003 г.), Измерение исчезновения реакторных антинейтрино в KamLAND (PDF) (докторская диссертация), Университет Тохоку, заархивировано из оригинала (PDF) 6 октября 2014 г.
2. Сузуки, Ацуто; Сотрудничество, KamLand (1 января 2005 г.). «Результаты обнаружения нейтрино в реакторе KamLAND». Физика Скрипта . 2005 (T121): 33. Бибкод : 2005PhST..121...33S. дои : 10.1088/0031-8949/2005/T121/004. ISSN  1402-4896. S2CID  250737408.
3. Гандо, А.; и другие. (Сотрудничество KamLAND-Zen) (19 апреля 2012 г.). «Измерение периода полураспада двойного β-распада ¹³⁶ Xe с помощью эксперимента KamLAND-Zen». Физический обзор C . 85 (4): 045504. arXiv : 1201.4664 . Бибкод : 2012PhRvC..85d5504G. doi : 10.1103/PhysRevC.85.045504. S2CID  123986835.
4. Фусими, К; и другие. (2013). «Поиск темной материи ПИКО-ЛОН». Физический журнал: серия конференций . 469 (1): 012011. Бибкод : 2013JPhCS.469a2011F. дои : 10.1088/1742-6596/469/1/012011 .
5. Эгучи, К.; и другие. (Сотрудничество KamLAND) (2003). «Первые результаты KamLAND: доказательства исчезновения реакторных антинейтрино». Письма о физических отзывах . 90 (2): 021802–021807. arXiv : hep-ex/0212021 . Бибкод : 2003PhRvL..90b1802E. doi : 10.1103/PhysRevLett.90.021802. PMID  12570536. S2CID  119344739.
6. Араки, Т.; и другие. (Сотрудничество KamLAND) (2005). «Измерение осцилляций нейтрино с помощью KamLAND: свидетельства спектральных искажений». Письма о физических отзывах . 94 (8): 081801–081806. arXiv : hep-ex/0406035 . Бибкод : 2005PhRvL..94h1801A. doi :10.1103/PhysRevLett.94.081801. PMID  15783875. S2CID  119098950.
7. Абэ, С.; и другие. (Сотрудничество KamLAND) (5 июня 2008 г.). «Прецизионное измерение параметров нейтринных колебаний с помощью KamLAND». Письма о физических отзывах . 100 (22): 221803. arXiv : 0801.4589 . Бибкод : 2008PhRvL.100v1803A. doi : 10.1103/PhysRevLett.100.221803. PMID  18643415. S2CID  119291217.
8. Гандо, А.; и другие. (2011). «Ограничения на θ ₁₃ на основе анализа трехароматических колебаний реакторных антинейтрино в KamLAND». Физический обзор D . 83 (5): 052002. arXiv : 1009.4771 . Бибкод : 2011PhRvD..83e2002G. doi :10.1103/PhysRevD.83.052002. S2CID  118444976.
9. Араки, Т.; и другие. (Сотрудничество KamLAND) (2005). «Экспериментальное исследование геологически образовавшихся антинейтрино с помощью KamLAND». Природа . 436 (7050): 499–503. Бибкод : 2005Natur.436..499A. дои : 10.1038/nature03980. PMID  16049478. S2CID  4367737.
10. Гандо, А.; и другие. (Сотрудничество KamLAND) (17 июля 2011 г.). «Частичная радиогенная тепловая модель Земли, выявленная с помощью измерений геонейтрино» (PDF) . Природа Геонауки . 4 (9): 647–651. Бибкод : 2011NatGe...4..647K. дои : 10.1038/ngeo1205.
11. А. Гандо и др. (Сотрудничество KamLAND) (2 августа 2013 г.). «Измерение антинейтрино в реакторе с помощью KamLAND». Физический обзор D . 88 (3): 033001. arXiv : 1303.4667 . Бибкод : 2013PhRvD..88c3001G. doi : 10.1103/PhysRevD.88.033001. S2CID  55754667.
12. Гандо, А.; и другие. (Сотрудничество KamLAND-Zen) (7 февраля 2013 г.). «Предел безнейтринного ββ-распада ¹³⁶ Xe из первой фазы KamLAND-Zen и сравнение с положительным утверждением в ⁷⁶ Ge». Письма о физических отзывах . 110 (6): 062502. arXiv : 1211.3863 . Бибкод : 2013PhRvL.110f2502G. doi : 10.1103/PhysRevLett.110.062502. PMID  23432237. S2CID  32541533.
13. Гандо, А.; и другие. (Сотрудничество KamLAND-Zen) (16 августа 2016 г.). «Поиск майорановских нейтрино вблизи области инвертированной иерархии масс с помощью KamLAND-Zen». Письма о физических отзывах . 117 (8): 082503.arXiv : 1605.02889 . Бибкод : 2016PhRvL.117h2503G. doi :10.1103/PhysRevLett.117.082503. PMID  27588852. S2CID  204937469.
14. Абэ, С.; и другие. (2022). «Поиск коррелированных низкоэнергетических электронных антинейтрино в KamLAND с гамма-всплесками». Астрофизический журнал . 927 (1): 69. arXiv : 2112.04918 . Бибкод : 2022ApJ...927...69A. дои : 10.3847/1538-4357/ac4e7e . S2CID  245006046.
15. 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.
16. Гандо, Ёшихито (2020). «Первые результаты KamLAND-Zen 800». Физический журнал: серия конференций . 1468 : 012142. дои : 10.1088/1742-6596/1468/1/012142 . S2CID  229257322.
17. Сотрудничество, KamLAND-Zen (2023). «Поиск майорановской природы нейтрино в области инвертированного упорядочения масс с помощью KamLAND-Zen». Письма о физических отзывах . 130 (5): 051801. arXiv : 2203.02139 . Бибкод : 2023PhRvL.130e1801A. doi : 10.1103/PhysRevLett.130.051801. PMID  36800472. S2CID  247244665.

дальнейшее чтение

• Абэ, С; и другие. (Сотрудничество KamLAND) (2008). «Прецизионное измерение параметров нейтринных колебаний с помощью KamLAND». Письма о физических отзывах . 100 (22): 221803. arXiv : 0801.4589 . Бибкод : 2008PhRvL.100v1803A. doi : 10.1103/PhysRevLett.100.221803. PMID  18643415. S2CID  119291217.
• Эгучи, К; и другие. (Сотрудничество KamLAND) (2004). «Высокочувствительный поиск
  ν
  _еот Солнца и других источников в KamLAND». Physical Review Letters . 92 (7): 071301–071305. arXiv : hep-ex/0310047 . Бибкод : 2004PhRvL..92g1301E. doi : 10.1103/PhysRevLett.92.071301. PMID  1499 5837 .S2CID 119360978  .

Внешние ссылки

• Официальный сайт КамЛАНД
• KamLAND в Национальной лаборатории Лоуренса Беркли (Лаборатория Беркли)
• Запись эксперимента KamLAND на INSPIRE-HEP