Жидкий сцинтилляторный детектор антинейтрино Kamioka - Kamioka Liquid Scintillator Antineutrino Detector

Схема детектора KamLAND

Координаты: 36 ° 25′21 ″ с.ш. 137 ° 18′55 ″ в.д. / 36,4225 ° с. Ш. 137,3153 ° в. / 36.4225; 137.3153^[1]:105В Жидкий сцинтилляторный детектор антинейтрино Kamioka (KamLAND) это электрон антинейтрино детектор на Обсерватория Камиока, подполье установка для обнаружения нейтрино в Хида, Гифу, Япония. Устройство находится в дрейфующая шахта вал в старом KamiokaNDE полость в Японские Альпы. Сайт окружен 53 японскими коммерческими ядерные реакторы. Ядерные реакторы производят электронные антинейтрино (${\displaystyle {\bar {\nu }}_{e}}$) при распаде радиоактивных продукты деления в ядерное топливо. Подобно интенсивности света лампочки или далекой звезды, изотропно излучаемый ${\displaystyle {\bar {\nu }}_{e}}$ поток уменьшается при 1 / R² на увеличивающееся расстояние R от реактора. Устройство чувствительно до 25% антинейтрино от ядерных реакторов которые превышают пороговая энергия из 1,8 мегаэлектронвольт (МэВ) и таким образом генерирует сигнал в детекторе.

Если нейтрино имеют массу, они могут колебаться в ароматы что эксперимент может не обнаружить, что приведет к дальнейшему ослаблению или «исчезновению» электронных антинейтрино. KamLAND расположен на среднем взвешенном по потоку расстоянии примерно 180 км от реакторов, что делает его чувствительным к смешиванию нейтрино, связанных с решениями с большим углом смешивания (LMA), с реакторами. проблема солнечных нейтрино.

Детектор КамЛАНД

Внешний слой детектора KamLAND состоит из 18-метровой нержавеющая сталь защитный сосуд с внутренней облицовкой 1879 фотоумножитель трубки (1325 17 "и 554 20" ФЭУ).^[2] Покрытие фотокатода составляет 34%. Второй, внутренний слой состоит из 13 м-диаметр нейлон баллон, наполненный жидкостью сцинтиллятор состоит из 1000 метрических тонн из минеральное масло, бензол, и флуоресцентный химикаты. Не искрящееся масло высокой степени очистки обеспечивает плавучесть для воздушного шара и действует как буфер, чтобы держать воздушный шар подальше от фотоумножитель трубки; масло также защищает от внешнего излучения. Цилиндрическая вода 3,2 килотонны Черенковский детектор окружает защитный сосуд, действуя как мюон счетчик вето и обеспечение защиты от космические лучи и радиоактивность из окружающей скалы.

Электронные антинейтрино (
ν
_е) обнаруживаются через Обратный бета-распад реакция ${\displaystyle {\bar {\nu }}_{e}+p\to e^{+}+n}$, который имеет 1,8 МэВ ${\displaystyle {\bar {\nu }}_{e}}$ энергетический порог. Быстрый мерцающий свет от позитрон (${\displaystyle e^{+}}$) дает оценку энергии падающего антинейтрино, ${\displaystyle E_{\nu }=E_{prompt}+<E_{n}>+0.9MeV}$, куда ${\displaystyle E_{prompt}}$это Подсказка энергия события, включая позитрон кинетическая энергия и ${\displaystyle e^{+}e^{-}}$ уничтожение энергия. Количество <${\displaystyle E_{n}}$> средний энергия отдачи нейтрона, что составляет всего несколько десятков килоэлектронвольт (кэВ). Примерно через 200 микросекунд (мкс) нейтрон улавливается водородом, излучая характерный 2,2 МэВ
γ
луч. Эта сигнатура отложенного совпадения - очень мощный инструмент для отличия антинейтрино от фоны производятся другими частицами.

Чтобы компенсировать потерю в ${\displaystyle {\bar {\nu }}_{e}}$ потока из-за длинной базы KamLAND имеет гораздо больший объем обнаружения по сравнению с более ранними устройствами. Детектор KamLAND использует детекторную массу 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.^[3] Планируется очистить восстановленный баллон с дополнительным ксеноном. 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.^[4] Планируется усовершенствовать детектор, добавив светособирающие зеркала и ФЭУ с более высокой квантовой эффективностью.

Полученные результаты

Колебания нейтрино

KamLAND начал сбор данных 17 января 2002 г. Первые результаты были получены с использованием данных всего за 145 дней.^[5] Без осцилляция нейтрино, 86.8±5.6 события были ожидаемыми, однако наблюдались только 54 события. KamLAND подтвердил этот результат выборкой данных за 515 дней,^[6] 365,2 события было предсказано при отсутствии колебаний, а наблюдалось 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 2005 года показывает, что искажение спектра несовместимо с гипотезой об отсутствии осцилляций и двумя альтернативными механизмами исчезновения, а именно с моделями распада нейтрино и декогерентности.^{[нужна цитата ]} Это согласуется с осцилляцией 2-нейтрино, и аппроксимация дает значения Δm² и параметры θ. Поскольку KamLAND измеряет Δm² наиболее точно и солнечные эксперименты превосходят возможности KamLAND по измерению θ, наиболее точные параметры колебаний получаются в сочетании с солнечными результатами. Такой комбинированный крой дает ${\displaystyle \Delta {m^{2}}=7.9_{-0.5}^{+0.6}\cdot 10^{-5}{\text{eV}}^{2}}$ и ${\displaystyle \tan ^{2}\theta =0.40_{-0.07}^{+0.10}}$ , лучшее определение параметров осцилляций нейтрино на тот момент. С тех пор используется модель трех нейтрино.

Точные комбинированные измерения были зарегистрированы в 2008 году.^[7] и 2011:^[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 г. Эти нейтрино образуются при распаде торий и уран в земных корка и мантия.^[9] 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 г.^[10] измерение теплового потока U / Th.

Новые результаты 2013 года, благодаря уменьшению фона из-за остановок реакторов в Японии, смогли ограничить выработку радиогенного тепла U / Th до ${\displaystyle 11.2_{-5.1}^{+7.9}}$ TW ^[11] используя 116 ${\displaystyle {\bar {\nu }}_{e}}$ События. Это ограничивает модели состава массивной силикатной Земли и согласуется с эталонной моделью Земли.

KamLAND-Zen Double Beta Decay Search

KamLAND-Zen использует детектор для изучения бета-распада ¹³⁶Xe из воздушного шара, помещенного в сцинтиллятор летом 2011 года. Наблюдения установили предел для безнейтринного периода полураспада двойного бета-распада 1.9×10²⁵ год.^[12] Также было измерено время жизни двойного бета-распада: ${\displaystyle 2.38\pm {0.02(\mathrm {stat} )}\pm {0.14(\mathrm {syst} )}*10^{21}}$ год, что согласуется с другими исследованиями ксенона.^[3] KamLAND-Zen планирует продолжить наблюдения с более обогащенным Xe и улучшенными компонентами детектора.

В августе 2016 года был опубликован улучшенный поиск, увеличивший предел полураспада до 1.07×10²⁶ год, с пределом массы нейтрино 61–165 мэВ.^[13]

Первый аппарат КамЛАНД-Дзен, КамЛАНД-Зен 400, по состоянию на 2018 г. завершила 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 подразумевали нижнюю границу ${\displaystyle 1.07\times 10^{26}}$ лет для периода полураспада двойного безнейтринного бета-распада.

Вторая экспериментальная установка КамЛАНД-Дзен, КамЛАНД-Зен 800, с большим баллоном около 750 кг ксенона был установлен в детекторе KamLAND 10 мая 2018 года. Ожидается, что операция начнется зимой 2018-2019 гг. с ожидаемой 5-летней эксплуатацией.^[14]

Коллаборация KamLAND-Zen планирует построить еще один аппарат, КамЛАНД2-Дзен в долгосрочной перспективе.

Рекомендации

1. Ивамото, Тосиюки (февраль 2003 г.), Измерение исчезновения реакторных антинейтрино в Камланде (PDF) (Докторская диссертация), Университет Тохоку, архив: оригинал (PDF) на 2014-10-06
2. Сузуки, Ацуто; Сотрудничество, KamLand (01.01.2005). «Результаты обнаружения нейтрино реактора KamLAND». Physica Scripta. 2005 (T121): 33. Bibcode:2005ФСТ..121 ... 33С. Дои:10.1088 / 0031-8949 / 2005 / T121 / 004. ISSN  1402-4896.
3. Gando, A .; и другие. (Сотрудничество KamLAND-Zen) (19 апреля 2012 г.). "Измерение периода полураспада двойного β-распада ¹³⁶Xe с экспериментом KamLAND-Zen ». Физический обзор C. 85 (4): 045504. arXiv:1201.4664. Bibcode:2012PhRvC..85d5504G. Дои:10.1103 / PhysRevC.85.045504.
4. Фусими, К; и другие. (2013). «Поиск темной материи PICO-LON». Journal of Physics: Серия конференций. 469 (1): 012011. Bibcode:2013JPhCS.469a2011F. Дои:10.1088/1742-6596/469/1/012011.
5. Eguchi, K .; и другие. (Сотрудничество KamLAND) (2003). «Первые результаты с KamLAND: свидетельства исчезновения реакторных антинейтрино». Письма с физическими проверками. 90 (2): 021802–021807. arXiv:hep-ex / 0212021. Bibcode:2003PhRvL..90b1802E. Дои:10.1103 / PhysRevLett.90.021802. PMID  12570536.
6. Araki, T .; и другие. (Сотрудничество KamLAND) (2005). «Измерение осцилляции нейтрино с помощью KamLAND: свидетельство спектрального искажения». Письма с физическими проверками. 94 (8): 081801–081806. arXiv:hep-ex / 0406035. Bibcode:2005ПхРвЛ..94х1801А. Дои:10.1103 / PhysRevLett.94.081801. PMID  15783875.
7. Abe, S .; и другие. (Сотрудничество KamLAND) (5 июня 2008 г.). «Прецизионное измерение параметров колебаний нейтрино с помощью KamLAND». Письма с физическими проверками. 100 (22): 221803. arXiv:0801.4589. Bibcode:2008PhRvL.100v1803A. Дои:10.1103 / PhysRevLett.100.221803. PMID  18643415.
8. Gando, A .; и другие. (2011). "Ограничения на θ₁₃ из трехкомпонентного колебательного анализа реакторных антинейтрино в KamLAND ». Физический обзор D. 83 (5): 052002. arXiv:1009.4771. Bibcode:2011ПхРвД..83э2002Г. Дои:10.1103 / PhysRevD.83.052002.
9. Araki, T .; и другие. (Сотрудничество KamLAND) (2005). «Экспериментальное исследование геологически произведенных антинейтрино с помощью KamLAND». Природа. 436 (7050): 499–503. Bibcode:2005Натура.436..499А. Дои:10.1038 / природа03980. PMID  16049478.
10. Гандо, А .; и другие. (Сотрудничество KamLAND) (17 июля 2011 г.). «Модель частичного радиогенного тепла Земли, выявленная с помощью измерений геонейтрино» (PDF). Природа Геонауки. 4 (9): 647–651. Bibcode:2011NatGe ... 4..647K. Дои:10.1038 / ngeo1205.
11. A. Gando et al. (Сотрудничество KamLAND) (2 августа 2013 г.). «Измерение двухпозиционных антинейтрино в реакторе с помощью KamLAND». Физический обзор D. 88 (3): 033001. arXiv:1303.4667. Bibcode:2013PhRvD..88c3001G. Дои:10.1103 / PhysRevD.88.033001.
12. Gando, A .; и другие. (Сотрудничество KamLAND-Zen) (7 февраля 2013 г.). «Предел безнейтринного ββ-распада ¹³⁶Xe из первой фазы KamLAND-Zen и сравнение с положительным утверждением в ⁷⁶Ge ". Письма с физическими проверками. 110 (6): 062502. arXiv:1211.3863. Bibcode:2013ПхРвЛ.110ф2502Г. Дои:10.1103 / PhysRevLett.110.062502. PMID  23432237.
13. Gando, A .; и другие. (Сотрудничество KamLAND-Zen) (16 августа 2016 г.). "Поиск майоранских нейтрино вблизи области инвертированной массовой иерархии с помощью KamLAND-Zen". Письма с физическими проверками. 117 (8): 082503. arXiv:1605.02889. Bibcode:2016ПхРвЛ.117х2503Г. Дои:10.1103 / PhysRevLett.117.082503. PMID  27588852.
14. http://www.ba.infn.it/~now/now2018/assets/yoshihitogandonow2018.pdf

дальнейшее чтение

• Abe, S; и другие. (Сотрудничество KamLAND) (2008). «Прецизионное измерение параметров колебаний нейтрино с помощью KamLAND». Письма с физическими проверками. 100 (22): 221803. arXiv:0801.4589. Bibcode:2008PhRvL.100v1803A. Дои:10.1103 / PhysRevLett.100.221803. PMID  18643415.
• Егучи, К; и другие. (Сотрудничество KamLAND) (2004 г.). "Поиск с высокой чувствительностью
  ν
  _еот солнца и других источников на KamLAND ». Письма с физическими проверками. 92 (7): 071301–071305. arXiv:hep-ex / 0310047. Bibcode:2004PhRvL..92g1301E. Дои:10.1103 / PhysRevLett.92.071301. PMID  14995837.

внешняя ссылка

• Официальный сайт KamLAND
• KamLAND в Национальной лаборатории Лоуренса Беркли (Berkeley Lab)