CONUS-Эксперимент
Ядерный исследовательский проект


Рисунок 1: Внешний вид атомной электростанции в Брокдорфе.

Эксперимент CONUS (COherent Neutrino nUcleus Scattering) — это исследовательский проект на коммерческой атомной электростанции в Брокдорфе , Германия (см. Рисунок 1). Проект CONUS спонсируется Институтом ядерной физики им. Макса Планка и Preussen Elektra GmbH .

Проект CONUS занимается поиском фундаментального процесса когерентного упругого рассеяния нейтрино на атомных ядрах . Основная цель — подтвердить существование этого процесса и использовать этот тип взаимодействия для дальнейшего исследования свойств нейтрино в рамках и за пределами стандартной модели физики элементарных частиц .

Научные принципы и мотивация - Когерентное упругое рассеяние нейтрино на ядре

Рисунок 2: Представление когерентного упругого рассеяния нейтрино на атомном ядре посредством обмена нейтральным Z-бозоном
Рисунок 3: Зависимое от энергии сечение когерентного упругого рассеяния нейтрино на ядре в сравнении с сечениями рассеяния нейтрино на протоне, обратного бета-распада и рассеяния нейтрино на электронах

Как электрически нейтральные лептоны , нейтрино взаимодействуют только посредством слабого взаимодействия с другими частицами. В связи с этим детекторы нейтрино , как правило, очень большие и заполнены несколькими (кило)тоннами целевого материала.

В принципе, есть две возможности обнаружить нейтрино: во-первых, они могут взаимодействовать с электронами в атомной оболочке атома-мишени, а во-вторых, они могут взаимодействовать с протонами и нейтронами атомного ядра. Взаимодействия между нейтрино и электронами, а также нейтрино и ядерными компонентами уже хорошо изучены. [1]

Однако при низких энергиях вплоть до нескольких десятков мегаэлектронвольт (МэВ) нейтрино могут когерентно взаимодействовать с ядром в целом (см. рисунок 2). Этот процесс был предсказан в 1974 году [2] и известен как когерентное упругое рассеяние нейтрино ядра (CEυNS, произносится как «севенс»). Хотя его поперечное сечение на несколько величин больше поперечного сечения традиционно используемых каналов взаимодействия (см. рисунок 3), крошечная отдача пораженного ядра приводит к очень низкому выделению энергии, что делает процесс очень трудным для обнаружения. Поэтому эксперименты, исследующие этот процесс, нуждаются в детекторах с чрезвычайно низким энергетическим порогом, т. е. ниже 1 килоэлектронвольт (кэВ). С другой стороны, поскольку поперечные сечения взаимодействия CEυNS увеличиваются, нескольких килограммов материала детектора уже может быть достаточно для обнаружения взаимодействия.

Как первый эксперимент в мире, эксперимент COHERENT смог экспериментально доказать существование когерентного упругого рассеяния нейтрино ядра в 2017 году. [3] При этом он использовал пучок нейтрино относительно высокой энергии по сравнению с реакторными нейтрино. Дальнейшие дополнительные исследования при более низких энергиях в полностью когерентном режиме еще впереди. Изучение этой области нейтрино низкой энергии является главной целью проекта CONUS.

Детектор

Сайт

Обнаружение, а также детальные исследования свойств CEυNS, использующих нейтрино из ядерного реактора, требуют, чтобы детектор был расположен как можно ближе к активной зоне реактора, чтобы гарантировать максимальный поток нейтрино. Для достижения этого детектор CONUS расположен на расстоянии 17 м от активной зоны реактора внутри ядерного реактора в Брокдорфе, [4] [5] см. рисунок 4. Это возможно только благодаря выбранной технологии детектора [6] , которая позволяет размещать его внутри установки, не мешая работе реактора.

Реактор Brokdoft работает на максимальной тепловой мощности 3,9 ГВт, что делает его одним из самых мощных в мире. В среднем, около 7,2 нейтрино производятся за одно ядерное деление (6 из продуктов деления и 1,2 из-за распадов после захвата нейтронов на уране-238 ). [7] [8] На месте детектора это приводит к потоку около 23 триллионов нейтрино в секунду на квадратный сантиметр. [9] [10]


Детекторы и измерения

Рисунок 5: Фотография, показывающая открытый экран CONUS и 4 германиевых детектора.

Сотрудничество CONUS использует четыре полупроводниковых детектора из высокочистого германия [6] , каждый весом 1 кг (см. рисунок 5).

Если нейтрино, возникающее в активной зоне реактора, рассеивается на ядре германия , небольшая энергия отдачи ядра частично преобразуется в энергию ионизации и частично в тепло рассеивания. Только первая часть энергии вносит вклад в формирование электрического сигнала в детекторах ионизации, используемых в CONUS. Явление рассеивания известно как гашение и обычно описывается теорией Линдхарда . [10] Таким образом, точное знание этого фактора гашения имеет решающее значение, поскольку его неопределенность является одной из основных систематик эксперимента. Для обнаружения когерентного упругого рассеяния нейтрино ядра CONUS собирает данные о включенном и выключенном реакторе. Сравнивая эти данные, избыток событий в ожидаемом энергетическом окне во время включенного реактора может выявить существование CEυNS. Кроме того, измерения во время выключенного реактора позволяют точно определить фоновую скорость и ее компоненты. CONUS начал собирать данные 1 апреля 2018 года и с тех пор работает непрерывно.

Щит

Хотя CEυNS — это взаимодействие нейтрино с самым высоким поперечным сечением, это все еще редкий процесс. Более того, поскольку он идет с очень малой передачей энергии и импульса (<1 кэВ), подходящий детектор должен быть экранирован от любого дополнительного фона. Три основных типа фона и стратегии их смягчения, применяемые в CONUS, суммированы здесь:
Соответствующие фоны можно разделить на 3 различные категории:

  • Космическое излучение: Космические мюоны и ливни, вызванные мюонами, могут взаимодействовать с целевым материалом детектора в больших количествах. Таким образом, космическое излучение является одним из наиболее важных фонов. Для подавления этого типа фона многие эксперименты с низким фоном проводятся глубоко под землей. Однако для CONUS это невозможно; здесь здание реактора обеспечивает скромную нагрузку, приводящую к уменьшению потока мюонов всего в 2-3 раза. Для достижения еще лучшего подавления мюонного фона детектор CONUS окружен активной системой мюонного вето (см. рисунок 5). Он состоит из сцинтилляционных слоев, которые могут обнаруживать входящие мюоны, пересекающие установку детектора. Таким образом, фон, вызванный мюонами, может быть уменьшен примерно в 100 раз. [4]
  • Локальный фон: Помимо космического излучения, есть также фон, исходящий от непосредственного окружения. Наиболее важными вкладами в локальный фон являются естественная радиоактивность в окружающей среде и нейтроны, излучаемые активной зоной реактора. [4] Чтобы защитить детекторы от этого фона, они покрыты несколькими слоями свинца (всего 25 см), а также пластинами полиэтилена, легированного бором (см. Рисунок 5). Другим важным источником фона, с которым приходится иметь дело в экспериментах (особенно тех, которые проводятся в закрытой среде), является радиоактивный распад радона , находящегося в воздухе . Радон является инертным газом и поэтому может просачиваться через мельчайшие щели в слоях защиты и распадаться вблизи детекторов. Чтобы решить эту проблему, камера детектора непрерывно продувается воздухом, свободным от радона, из баллонов со сжатым воздухом.
  • Внутренняя радиоактивность: Детекторы также содержат небольшие концентрации радиоактивных изотопов. Следовательно, необходимо минимизировать количество радиоактивных примесей внутри детектора. Для достижения этой цели материалы, используемые для создания детектора, были тщательно проанализированы с помощью детектора GIOVE [11] в подземной лаборатории Института ядерной физики им. Макса Планка и выбраны соответствующим образом.

Несмотря на небольшой объем установки CONUS в 1,6 м3, массивный высокоплотный щит приводит к общей массе в 11 тонн. [4]

Результаты (январь 2021 г.)

В 2020 году проект CONUS опубликовал первые результаты по CEυNS с использованием 3,73 кг активного материала детектора после почти 70 дней эффективного времени измерения при включенном реакторе и около 16 дней при выключенном реакторе. [5] С помощью этих данных можно было определить самый точный на сегодняшний день верхний предел существования процесса CEυNS в полностью когерентном режиме. Этот предел представляет собой ценную информацию для фундаментальных исследований нейтрино, поскольку он позволяет проверять прогнозы относительно силы CEυNS в теории стандартной модели или в ее вариациях. Уникальная производительность детекторов CONUS с их очень низкими энергетическими порогами, сверхнизкими уровнями фона и долговременной стабильностью подчеркивается в работе [6] .

Ожидается, что благодаря дополнительным данным, собранным до и после окончания эксплуатации реактора в конце 2021 года, дополнительным усовершенствованиям систем сбора данных и лучшему пониманию фактора гашения в германии, чувствительность эксперимента значительно возрастет в ближайшие несколько лет.

Приложения

Понимание процесса когерентного упругого рассеяния нейтрино на ядрах может предложить некоторые возможности и в других областях.
Обычно ожидается, что процесс когерентного упругого рассеяния нейтрино на ядрах играет значительную роль в динамике сверхновых с коллапсом ядра . [12] Поэтому исследование этого процесса поможет лучше понять динамику таких звездных взрывов. Кроме того, подробное изучение когерентного упругого рассеяния нейтрино на ядрах может потенциально раскрыть некоторую новую физику за пределами стандартной модели физики элементарных частиц . Например, его можно использовать для изучения электромагнитных свойств нейтрино (например, магнитного момента нейтрино ), для исследования потенциальных отклонений слабого угла смешивания при низких энергиях или для изучения возможных нестандартных взаимодействий в секторе нейтрино- кварк . [13]

Помимо своей фундаментальной важности для фундаментальной науки , обнаружение нейтрино с помощью CEυNS предлагает некоторые практические приложения. Одним из примеров является возможность использования детекторов типа CONUS для мониторинга реакторов. [14]

  • MPIK Division Линднер: КОНУС
  • PreussenElektra GmbH: АЭС Брокдорф

Ссылки

  1. ^ C. Giunti, W. Kim Chung: «Основы нейтринной физики и астрофизики», OUP Oxford (15.03.2007), ISBN  978-0198508717
  2. ^ DZ Freedman: «Когерентные эффекты слабого нейтрального тока», Phys. Rev. D 9, 1389 (1974), DOI:10.1103/PhysRevD.9.1389
  3. ^ Д. Акимов и др. (COHERENT Collaboration): «Наблюдение когерентного упругого рассеяния нейтрино на ядре», Science Volume 357 #6356 — опубликовано в 2017 г., DOI:10.1126/science.aao0990, arXiv:1708.01294
  4. ^ abcd J. Hakenmüller et al.: «Нейтронно-индуцированный фон в эксперименте CONUS», arXiv:1903.09269
  5. ^ ab H. Bonet et al. (CONUS Collaboration): «Ограничения на упругое рассеяние нейтрино на ядрах в полностью когерентном режиме из эксперимента CONUS», Phys. Rev. Lett. 126, 041804 (2021), doi :10.1103/PhysRevLett.126.041804
  6. ^ abc H. Bonet et al.: «Большие чувствительные к субкэВ германиевые детекторы для эксперимента CONUS», https://arxiv.org/abs/2010.11241
  7. ^ FP An et al.: «Улучшенное измерение потока антинейтрино и спектра реактора в заливе Дайя», Chin. Phys. C 41 013002 (2017), doi :10.1088/1674-1137/41/1/013002
  8. ^ AC Hayes и P. Vogel: "Спектры нейтрино реактора", Ann. Rev. Nucl. Part. Sci. 66, 219-244 (2016), doi :10.1146/annurev-nucl-102115-044826
  9. ^ AG Beda и др.: «Первые результаты измерения магнитного момента нейтрино в эксперименте GEMMA», doi :10.1134/s1063778807110063
  10. ^ ab Дж. Линдхард, М. Шарфф и Х. Е. Шиотт: «Концепции диапазонов и диапазоны тяжелых ионов (Заметки об атомных столкновениях, II», Kgl. Danske Videnskab. Selskab. Mat. Fys. Medd. 33, 14 (1963)
  11. ^ G. Heusser et al.: "GIOVE - Новая установка детектора для высокочувствительной германиевой спектроскопии на малой глубине", Eur. Phys. J. C 75, 531 (2015), doi :10.1140/epjc/s10052-015-3704-2
  12. ^ ХТ. Янка: «Взрывы, вызванные нейтрино» arXiv:1702.08825
  13. ^ M. Lindner, W. Rodejohann, X. Xu: «Когерентное рассеяние нейтрино-ядер и новые взаимодействия нейтрино», Журнал физики высоких энергий (JHEP), 20.03.2017 DOI:10.1007/JHEP03(2017)097, arXiv:1612.04150
  14. ^ А. Бернстайн и др.: «Коллоквиум: детекторы нейтрино как инструменты для ядерной безопасности» Rev. Mod. Phys. 92, 011003 (2020), doi :10.1103/RevModPhys.92.011003

53°51′03″с.ш. 9°20′45″в.д. / 53.850731°с.ш. 9.345844°в.д. / 53.850731; 9.345844

Взято с "https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=CONUS-Experiment&oldid=1210567488"