СТЕРЕО эксперимент - STEREO experiment

Рисунок 1: Схема детектора STEREO

В СТЕРЕО эксперимент (Ищи Steраздражать Reактер нейтрино Оscillations) исследует возможные колебание из нейтрино из ядерного реактора в легкий так называемый стерильные нейтрино. Он расположен в Institut Laue – Langevin (ILL) в Гренобле, Франция. Эксперимент начал работать и собирать данные в ноябре 2016 года.[1]

Детектор

Принцип измерения

Рисунок 2: Сравнение различных спектров на расстоянии 10 м и 12 м от реактора. Черная линия показывает случай без осцилляции в стерильное нейтрино, а синяя и красная линия показывают случай, включающий осцилляцию в легкое стерильное нейтрино.

Детектор STEREO размещается на расстоянии 10 м от исследовательского реактора на ILL. Исследовательский реактор имеет тепловую мощность 58 МВт. STEREO должен измерять поток и спектр нейтрино вблизи реактора.[1] Чтобы иметь возможность регистрировать нейтрино, излучаемые реактором, детектор заполняется 1800 литрами органической жидкости. сцинтиллятор который легирован гадолиний.[2] Внутри сцинтиллятора нейтрино улавливаются в процессе обратный бета-распад

В этом процессе позитрон производится. Когда позитрон движется через сцинтиллятор, возникает световой сигнал, который регистрируется 48 фотоумножители (ФЭУ) размещены в верхней части ячеек детектора.[3] Захват нейтрон который также возникает во время обратного бета-распада, дает второй сигнал совпадения.

Ожидаемое расстояние между максимумом и минимумом колебаний легких стерильных нейтрино составляет около 2 м. Чтобы увидеть колебания, детектор разделен на 6 отдельных ячеек детектора, каждая из которых измеряет энергетический спектр обнаруженных нейтрино. Сравнивая измеренные спектры, можно было обнаружить возможные колебания (см. Рисунок 2).

Эксперимент STEREO обнаруживает нейтрино в сутки.[4]

Детектор Экранирование

Нейтрино только взаимодействуют слабо. Следовательно, детекторы нейтрино, такие как STEREO, должны быть очень чувствительными и нуждаются в хорошей защите от дополнительных фоновых сигналов, чтобы иметь возможность точно обнаруживать нейтрино.[1]

Для достижения такой высокой чувствительности 6 внутренних ячеек детектора окружены жидким сцинтиллятором (без гадолиния), который действует как «гамма-ловушка», обнаруживая входящие и исходящие гамма-излучение. Это значительно увеличивает эффективность обнаружения, а также энергетическое разрешение детектора. А черенковский детектор заполненный водой, помещается наверху детектора для обнаружения космического мюоны которые производятся в атмосфере и в противном случае действовали бы как большой фоновый источник. Чтобы защитить детектор от радиоактивных источников, исходящих от окружающих экспериментов, он окружен и экранирован многими слоями (65 т), в основном из свинца и полиэтилена, а также железа, стали и других материалов. .

Мотивация

Рисунок 3: Реактор-антинейтрино-аномалия (РАА)

Хотя осцилляция нейтрино - это явление, которое довольно хорошо изучено сегодня, все еще есть некоторые экспериментальные наблюдения, которые ставят под сомнение полноту нашего понимания. Наиболее ярким из этих наблюдений является так называемая реакторная антинейтрино-аномалия (RAA) (см. Рисунок 3). В ряде экспериментов с реактором и нейтрино с короткой базой было измерено значительно более низкое значение анти-электронного нейтрино) потока по сравнению с теоретическими предсказаниями ( отклонение).[5]Дальнейшие экспериментальные аномалии - это неожиданное появление в краткосрочной перспективе -луч (аномалия LSND)[6] а также исчезновение на небольших расстояниях во время фазы калибровки ГАЛЛЕКС[7] и шалфей[8] эксперименты, известные как аномалия галлиевого нейтрино.

Эти аномалии могут означать, что наше понимание осцилляций нейтрино еще не завершено и что нейтрино осциллируют в другую четвертую разновидность нейтрино. Однако измерения ширина распада из Z-бозон на Большой электрон-позитронный коллайдер (LEP) исключают существование легкого 4-го «активного» (т.е. взаимодействующего посредством слабой силы) нейтрино.[9] Следовательно, осцилляция в дополнительные легкие «стерильные» нейтрино рассматривается как возможное объяснение наблюдаемых аномалий. Вдобавок стерильные нейтрино появляются во многих выдающихся расширениях Стандартная модель физики элементарных частиц как например в качели механизм типа 1.

Результаты (декабрь 2019 г.)

Рисунок 4: Контур исключения, проведенный по последним данным STEREO в плоскости амплитуды колебаний в сторону гипотетического 4-го нейтрино (горизонтальная ось) и частоты этого колебания (вертикальная ось). Синяя область показывает ожидаемое покрытие исключения при доступной статистической точности, которая была бы получена, если бы все наблюдаемые STEREO точно соответствовали ожиданиям без четвертого нейтрино. Красная область - это фактический контур исключения, основанный на данных измерений, что приводит к статистическим колебаниям около синего предела. Все точки внутри красного контура исключаются с доверительной вероятностью не менее 90%. Этот результат отвергает большую часть области существования 4-го нейтрино, предсказанной на основе нейтринной аномалии реактора (обозначенной черными контурами).

Первые результаты были опубликованы в 2018 году с использованием набора данных о 66-дневном включении реактора.[10] Большая часть пространства параметров, которые могут составлять RAA, была исключена с доверительной вероятностью 90%. Результаты, обновленные в декабре 2019 г., основаны на обнаружены нейтрино (объединенные фазы 1 и 2, 179 дней данных о включении реактора). Используя текущие данные, область исключения еще больше расширяется (см. Рисунок 4).[11]

внешняя ссылка

Рекомендации

  1. ^ а б c Allemandou, N .; и другие. (2018). «СТЕРЕО эксперимент». Журнал приборостроения. 13 (7): P07009. arXiv:1804.09052. Bibcode:2018JInst..13P7009A. Дои:10.1088 / 1748-0221 / 13/07 / P07009.
  2. ^ Бак, C .; Грамлих, Б .; Lindner, M .; Roca, C .; Шоппманн, С. (2019). «Производство и свойства жидких сцинтилляторов, использованных в нейтринном эксперименте на реакторе STEREO». Журнал приборостроения. 14 (1): P01027. arXiv:1812.02998. Bibcode:2019JInst..14P1027B. Дои:10.1088 / 1748-0221 / 14/01 / P01027.
  3. ^ Bourrion, O .; и другие. (2016). «Триггерная и считывающая электроника для эксперимента STEREO». Журнал приборостроения. 11 (2): C02078. arXiv:1510.08238. Дои:10.1088 / 1748-0221 / 11/02 / c02078.
  4. ^ Бернард, Лаура (2019). «Результаты эксперимента STEREO с данными о включении реактора за 119 дней». arXiv:1905.11896 [hep-ex ].
  5. ^ Упоминание, G .; Fechner, M .; Lasserre, Th .; Мюллер, Т. А .; Lhuillier, D .; Cribier, M .; Летурно, А. (2011). «Реакторная антинейтринная аномалия». Физический обзор D. 83 (7): 073006. arXiv:1101.2755. Bibcode:2011ПхРвД..83г3006М. Дои:10.1103 / PhysRevD.83.073006.
  6. ^ Агилар, А .; и другие. (2001). "Свидетельства осцилляций нейтрино из наблюдения νе появление в νμ луч". Физический обзор D. 64 (11): 112007. arXiv:hep-ex / 0104049. Дои:10.1103 / PhysRevD.64.112007.
  7. ^ Джунти, Карло; Лаведер, Марко (2011). «Статистическая значимость галлиевой аномалии». Физический обзор C. 83 (6): 065504. arXiv:1006.3244. Bibcode:2011PhRvC..83f5504G. Дои:10.1103 / PhysRevC.83.065504.
  8. ^ Абдурашитов, Дж. Н .; и другие. (2006). "Измерение отклика эксперимента с Ga солнечными нейтрино на нейтрино от 37Источник Ar ». Физический обзор C. 73 (4): 045805. arXiv:nucl-ex / 0512041. Bibcode:2006PhRvC..73d5805A. Дои:10.1103 / PhysRevC.73.045805.
  9. ^ Allemandou, N .; и другие. (2006). «Прецизионные электрослабые измерения на Z-резонансе». Отчеты по физике. 427 (5–6): 257–454. arXiv:hep-ex / 0509008. Bibcode:2006ФР ... 427..257А. Дои:10.1016 / j.physrep.2005.12.006.
  10. ^ Алмазан, Елена; и другие. (2018). «Стерильные нейтринные ограничения из эксперимента STEREO с данными о включении реактора за 66 дней». arXiv:1806.02096 [hep-ex ].
  11. ^ Алмазан, Елена; и другие. (2018). «Улучшенные ограничения для стерильных нейтрино из эксперимента STEREO с данными о включении реактора за 179 дней». arXiv:1912.06582 [hep-ex ].