STEREO experiment - STEREO experiment

Obrázek 1: Schematické provedení detektoru STEREO

The STEREO experiment (Hledat Stehnus Reherec Neutrino Óscillations) zkoumá možné kmitání z neutrina z jaderného reaktoru na světlo tzv sterilní neutrina. Nachází se na Institut Laue – Langevin (ILL) ve francouzském Grenoblu. Experiment začal fungovat a přijímat data v listopadu 2016.[1]

Detektor

Princip měření

Obrázek 2: Porovnání různých spekter ve vzdálenosti 10 ma 12 m od reaktoru. Černá čára ukazuje případ bez oscilace na sterilní neutrina, zatímco modrá a červená ukazují případ včetně oscilace na lehké sterilní neutrino

Detektor STEREO je umístěn ve vzdálenosti 10 m od výzkumného reaktoru v MVS. Výzkumný reaktor má tepelný výkon 58 MW. STEREO má měřit tok neutrin a spektrum v blízkosti reaktoru.[1] Aby bylo možné detekovat neutrina vyzařovaná z reaktoru, je detektor naplněn 1800 litry organické kapaliny scintilátor který je dopován gadolinium.[2] Uvnitř scintilátoru jsou neutrina zachycena procesem inverzní rozpad beta

V tomto procesu a pozitron se vyrábí. Když se pozitron pohybuje scintilátorem, vydává se světelný signál, který je detekován 48 fotonásobiče (PMT) umístěné v horní části buněk detektoru.[3] Zachycení neutron který je také produkován během inverzního beta rozpadu, produkuje druhý koincidenční signál.

Očekávaná vzdálenost mezi oscilačním maximem a minimem lehce sterilních neutrin je asi 2 m. Aby bylo možné vidět oscilaci, je detektor rozdělen do 6 samostatných buněk detektoru, z nichž každý měří energetické spektrum detekovaných neutrin. Porovnáním naměřených spekter lze zjistit možnou oscilaci (viz obrázek 2).

Experiment STEREO detekuje neutrin za den.[4]

Stínění detektoru

Neutrina pouze interagují slabě. Proto musí být detektory neutrin, jako je STEREO, velmi citlivé a potřebují dobré stínění před dalšími signály na pozadí, aby bylo možné přesně detekovat neutrina.[1]

K dosažení této vysoké citlivosti je 6 vnitřních detektorových buněk obklopeno kapalným scintilátorem (bez gadolinia), který funguje jako „Gamma-Catcher“ detekující příchozí i odchozí gama záření. To významně zvyšuje účinnost detekce i energetické rozlišení detektoru. A Čerenkovův detektor naplněný vodou je umístěn na horní část detektoru pro detekci kosmického miony které se produkují v atmosféře a jinak by fungovaly jako velký zdroj pozadí. Aby byl detektor chráněn před radioaktivními zdroji pocházejícími z okolních experimentů, je obklopen a chráněn mnoha vrstvami (65 t) převážně olova a polyethylenu, ale také železa, oceli a .

Motivace

Obrázek 3: Reaktor-antineutrino-anomálie (RAA)

Ačkoli je neutrinová oscilace fenoménem, ​​který je dnes docela dobře pochopen, stále existují experimentální pozorování, která zpochybňují úplnost našeho porozumění. Nejvýznamnějším z těchto pozorování je takzvaná reaktor-antineutrino-anomálie (RAA) (viz obrázek 3). Řada krátkých výchozích experimentů reaktor-neutrino měřila významně nižší anti-elektron-neutrino () tok ve srovnání s teoretickými předpovědi ( odchylka).[5]Další experimentální anomálie jsou neočekávaným výskytem v krátké základní linii -beam (LSND anomálie)[6] stejně jako zmizení na krátké vzdálenosti během kalibrační fáze GALLEX[7] a SAGE[8] experimenty známé jako anomálie galia neutrin.

Tyto anomálie by mohly znamenat, že naše chápání kmitání neutrin ještě není úplné a že neutrina oscilují do dalšího 4. druhu neutrin. Měření však šířka úpadku z Z-Boson na Velký elektron-pozitronový urychlovač (LEP) vylučují existenci lehkého 4. „aktivního“ (tj. Interagujícího prostřednictvím slabé síly) neutrina.[9] Proto je oscilace na další lehká „sterilní“ neutrina považována za možné vysvětlení pozorovaných anomálií. Kromě toho se sterilní neutrina objevují v mnoha významných rozšířeních Standardní model částicové fyziky jako např. v houpačka mechanismus typu 1.

Výsledky (prosinec 2019)

Obrázek 4: Vylučovací obrys nakreslený nejnovějšími údaji STEREO v rovině amplitudy oscilace směrem k hypotetickému 4. neutrinu (horizontální osa) a frekvenci této oscilace (vertikální osa). Modrá oblast ukazuje očekávané vylučovací pokrytí s dostupnou statistickou přesností, které by bylo dosaženo, pokud by všechny pozorovatelné objekty STEREO přesně odpovídaly očekáváním bez 4. neutrina. Červená oblast je skutečná kontura vyloučení na základě naměřených dat, která vede ke statistickým výkyvům kolem modré hranice. Všechny body uvnitř červeného obrysu jsou vyloučeny s minimálně 90% úrovní spolehlivosti. Tento výsledek odmítá velkou část domény existence 4. neutrina predikovaného z anomálie neutrin reaktoru (označeno černými konturami).

Počáteční výsledky byly zveřejněny v roce 2018 s využitím datové sady 66 dnů zapnutého reaktoru.[10] Většina prostoru parametrů, která by mohla odpovídat RAA, byla vyloučena na úrovni spolehlivosti 90%. Aktualizované výsledky v prosinci 2019 jsou založeny na detekovaná neutrina (kombinovaná fáze 1 a 2, 179 dnů údajů o reaktoru). S využitím aktuálních údajů se oblast vyloučení dále rozšiřuje (viz obrázek 4).[11]

externí odkazy

Reference

  1. ^ A b C Allemandou, N .; et al. (2018). "Experiment STEREO". Journal of Instrumentation. 13 (7): P07009. arXiv:1804.09052. Bibcode:2018JInst..13P7009A. doi:10.1088 / 1748-0221 / 13/07 / P07009.
  2. ^ Buck, C .; Gramlich, B .; Lindner, M .; Roca, C .; Schoppmann, S. (2019). "Výroba a vlastnosti kapalných scintilátorů použitých v experimentu neutrino reaktoru STEREO". Journal of Instrumentation. 14 (1): P01027. arXiv:1812.02998. Bibcode:2019JInst..14P1027B. doi:10.1088 / 1748-0221 / 14/01 / P01027.
  3. ^ Bourrion, O .; et al. (2016). "Spouštěcí a odečítací elektronika pro experiment STEREO". Journal of Instrumentation. 11 (2): C02078. arXiv:1510.08238. doi:10.1088 / 1748-0221 / 11/02 / c02078.
  4. ^ Bernard, Laura (2019). "Výsledky experimentu STEREO se 119 dny údajů o reaktoru". arXiv:1905.11896 [hep-ex ].
  5. ^ Zmínka, G .; Fechner, M .; Lasserre, Th .; Mueller, Th. A.; Lhuillier, D .; Cribier, M .; Letourneau, A. (2011). "Anomálie antineutrinového reaktoru". Fyzický přehled D. 83 (7): 073006. arXiv:1101.2755. Bibcode:2011PhRvD..83g3006M. doi:10.1103 / PhysRevD.83.073006.
  6. ^ Aguilar, A .; et al. (2001). "Důkazy o oscilacích neutrin z pozorování νE vzhled v a νμ paprsek". Fyzický přehled D. 64 (11): 112007. arXiv:hep-ex / 0104049. doi:10.1103 / PhysRevD.64.112007.
  7. ^ Giunti, Carlo; Laveder, Marco (2011). "Statistická významnost anomálie gália". Fyzický přehled C.. 83 (6): 065504. arXiv:1006.3244. Bibcode:2011PhRvC..83f5504G. doi:10.1103 / PhysRevC.83.065504.
  8. ^ Abdurashitov, J. N .; et al. (2006). „Měření odezvy experimentu slunečních neutrin Ga na neutrina z a 37Ar zdroj ". Fyzický přehled C.. 73 (4): 045805. arXiv:nucl-ex / 0512041. Bibcode:2006PhRvC..73d5805A. doi:10.1103 / PhysRevC.73.045805.
  9. ^ Allemandou, N .; et al. (2006). "Přesná elektroslabá měření na rezonanci Z". Fyzikální zprávy. 427 (5–6): 257–454. arXiv:hep-ex / 0509008. Bibcode:2006PhR ... 427..257A. doi:10.1016 / j.physrep.2005.12.006.
  10. ^ Almazán, Helena; et al. (2018). "Sterilní omezení neutrin z experimentu STEREO s 66denními daty z reaktoru". arXiv:1806.02096 [hep-ex ].
  11. ^ Almazán, Helena; et al. (2018). „Vylepšená sterilní omezení neutrin z experimentu STEREO se 179 dny údajů o reaktoru“. arXiv:1912.06582 [hep-ex ].