СТЕРЕО эксперимент
Эксперимент по исследованию колебаний нейтрино

Эксперимент STEREO (Search for Ste rile Reactor Neutrino Oscillations ) исследовал возможную осцилляцию нейтрино из ядерного реактора в легкие так называемые стерильные нейтрино . Он был расположен в Институте Лауэ-Ланжевена (ILL) в Гренобле, Франция. Эксперимент включал данные с ноября 2016 года по ноябрь 2020 года. Окончательные результаты эксперимента отвергли гипотезу легкого стерильного нейтрино. [1]

Детектор

Принцип измерения

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

Детектор STEREO расположен на расстоянии 10 м от исследовательского реактора в ILL. Тепловая мощность исследовательского реактора составляет 58 МВт. STEREO должен измерять поток и спектр нейтрино вблизи реактора. [2] Для того чтобы иметь возможность обнаружить нейтрино, излучаемые реактором, детектор заполнен 1800 литрами органического жидкого сцинтиллятора , легированного гадолинием . [ 3] Внутри сцинтиллятора нейтрино захватываются посредством процесса обратного бета-распада.

ν ¯ е + п → н + е + {\displaystyle {\overline {\nu }}_{e}+p\rightarrow n+e^{+}}

В этом процессе образуется позитрон . Когда позитрон проходит через сцинтиллятор, возникает световой сигнал, который регистрируется 48 фотоумножительными трубками (ФЭУ), размещенными в верхней части ячеек детектора. [4] Захват нейтрона , который также образуется во время обратного бета-распада, создает второй сигнал совпадения.

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

Эксперимент STEREO обнаруживает нейтрино в день. [5] ∼ 400 {\displaystyle \сим 400}

Защитное экранирование детектора

Нейтрино взаимодействуют только слабо . Поэтому детекторы нейтрино, такие как STEREO, должны быть очень чувствительными и нуждаться в хорошей защите от дополнительных фоновых сигналов, чтобы иметь возможность точно обнаруживать нейтрино. [2]

Для достижения этой высокой чувствительности 6 внутренних ячеек детектора окружены жидким сцинтиллятором (без гадолиния), который действует как «гамма-ловушка», обнаруживая входящее и исходящее гамма-излучение . Это значительно увеличивает эффективность обнаружения, а также энергетическое разрешение детектора. На детектор сверху помещается черенковский детектор, заполненный водой, для обнаружения космических мюонов , 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 свинца и полиэтилена, но также железа, стали и . Б 4 С {\displaystyle {\ce {B_4C}}}

Мотивация

Рисунок 3: Реакторно-антинейтринная аномалия (RAA)

Хотя осцилляция нейтрино является явлением, которое сегодня довольно хорошо изучено, все еще есть некоторые экспериментальные наблюдения, которые ставят под сомнение полноту нашего понимания. Наиболее заметным из этих наблюдений является так называемая аномалия реакторных антинейтрино (RAA) (см. Рисунок 3). Ряд экспериментов с короткой базой реакторных нейтрино измерили значительно более низкий поток антиэлектронных нейтрино ( ν e ) по сравнению с теоретическими предсказаниями (отклонение 2,7  σ ). [6] Другими экспериментальными аномалиями являются неожиданное появление ν e в пучке ν μ с короткой базой  (аномалия LSND) [7] , а также исчезновение ν e на коротких расстояниях во время фазы калибровки экспериментов GALLEX [8] и SAGE [9], известное как аномалия галлиевых нейтрино.

Рисунок 4: Окончательные результаты эксперимента STEREO. Пространство параметров предела достоверности 95% для объяснения RAA стерильными нейтрино показано серым цветом. Значения справа от кривых исключения красного и синего цветов отвергаются.

Эти аномалии могут означать, что наше понимание осцилляций нейтрино еще не завершено и что нейтрино осциллируют в другой 4-й вид нейтрино. Однако измерения ширины распада Z-бозона на Большом электрон-позитронном коллайдере (LEP) исключают существование легкого 4-го «активного» (т.е. взаимодействующего посредством слабого взаимодействия) нейтрино. [10] Следовательно, осцилляция в дополнительные легкие «стерильные» нейтрино рассматривается как возможное объяснение наблюдаемых аномалий. Кроме того, стерильные нейтрино появляются во многих важных расширениях Стандартной модели физики элементарных частиц , например, в механизме качелей типа 1.

Результаты

Первоначальные результаты были опубликованы в 2018 году с использованием набора данных за 66 дней работы реактора. [11] Большая часть пространства параметров, которые могли бы объяснить RAA, была исключена с уровнем достоверности 90%. Окончательные результаты были опубликованы в 2023 году. С октября 2017 года по ноябрь 2020 года было обнаружено 107 588 антинейрино. Объяснение RAA стерильными нейтрино было отклонено с точностью до нескольких (эВ)² для квадратного расщепления массы между стандартными и стерильными состояниями нейтрино (см. рисунок 4). [1]

Ссылки

  1. ^ аб Алмазан, Х.; Бернард, Л.; Бланше, А.; Боном, А.; Бак, К.; Чалил, А.; дель Амо Санчес, П.; Эль Атмани, И.; Лабит, Л.; Ламблин, Дж.; Летурно, А.; Люлье, Д.; Ликарди, М.; Линднер, М.; Матерна, Т. (2023). «СТЕРЕО-нейтринный спектр деления 235U отвергает гипотезу стерильных нейтрино». Природа . 613 (7943): 257–261 . arXiv : 2210.07664 . дои : 10.1038/s41586-022-05568-2. ISSN  1476-4687.
  2. ^ ab Allemandou, N.; et al. (2018). "Эксперимент STEREO". Journal of Instrumentation . 13 (7): P07009. arXiv : 1804.09052 . Bibcode : 2018JInst..13P7009A. doi : 10.1088/1748-0221/13/07/P07009. S2CID  119535365.
  3. ^ Бак, К.; Грамлих, Б.; Линднер, М.; Рока, К.; Шоппманн, С. (2019). «Производство и свойства жидких сцинтилляторов, используемых в эксперименте с нейтрино реактора STEREO». Журнал приборостроения . 14 (1): P01027. arXiv : 1812.02998 . Bibcode : 2019JInst..14P1027B. doi : 10.1088/1748-0221/14/01/P01027. S2CID  119425357.
  4. ^ Буррион, О.; и др. (2016). «Электроника запуска и считывания для эксперимента STEREO». Журнал приборостроения . 11 (2): C02078. arXiv : 1510.08238 . doi : 10.1088/1748-0221/11/02/c02078. S2CID  109826774.
  5. ^ Бернард, Лора (2019). «Результаты эксперимента STEREO с данными о работе реактора за 119 дней». arXiv : 1905.11896 [hep-ex].
  6. ^ Mention, G.; Fechner, M.; Lasserre, Th.; Mueller, Th.A.; Lhuillier, D.; Cribier, M.; Letourneau, A. (2011). "Аномалия антинейтрино реактора". Physical Review D. 83 ( 7): 073006. arXiv : 1101.2755 . Bibcode : 2011PhRvD..83g3006M. doi : 10.1103/PhysRevD.83.073006. S2CID  14401655.
  7. ^ Агилар, А.; Ауэрбах, Л.Б.; Берман, Р.Л.; Колдуэлл, Д.О.; Чёрч, Э.Д.; Кочран, А.К.; и др. (2001). «Доказательства осцилляций нейтрино из наблюдения появления ν e в пучке ν μ  ». Physical Review D. 64 ( 11): 112007. arXiv : hep-ex/0104049 . doi :10.1103/PhysRevD.64.112007. S2CID  118686517.
  8. ^ Giunti, Carlo; Laveder, Marco (2011). "Статистическая значимость аномалии галлия". Physical Review C. 83 ( 6): 065504. arXiv : 1006.3244 . Bibcode : 2011PhRvC..83f5504G. doi : 10.1103/PhysRevC.83.065504. S2CID  119255011.
  9. ^ Абдурашитов, Дж. Н.; Гаврин, В. Н.; Гирин, СВ; Горбачев, В. В.; Гуркина, ПП; Ибрагимова, ТВ; и др. (2006). "Измерение отклика эксперимента с солнечными нейтрино Ga на нейтрино от источника 37 Ar". Physical Review C. 73 ( 4): 045805. arXiv : nucl-ex/0512041 . Bibcode : 2006PhRvC..73d5805A. doi : 10.1103/PhysRevC.73.045805. S2CID  119453823.
  10. ^ Аллеманду, Н.; Альмазан, Х.; дель Амо Санчес, П.; Бернард, Л.; Бернар, К.; Бланше, А.; и др. (2006). «Прецизионные электрослабые измерения Z-резонанса». Отчеты по физике . 427 ( 5–6 ): 257–454 . arXiv : hep-ex/0509008 . Бибкод : 2006PhR...427..257A. doi :10.1016/j.physrep.2005.12.006. S2CID  119482321.
  11. ^ Альмасан, Хелена; Бернард, Лаура (2018). «Ограничения стерильных нейтрино из эксперимента STEREO с данными за 66 дней работы реактора». Physical Review Letters . 121 (16): 161801. arXiv : 1806.02096 . Bibcode : 2018PhRvL.121p1801A. doi : 10.1103/PhysRevLett.121.161801. PMID  30387650. S2CID  53223216.
  • Сайт эксперимента STEREO
  • Запись эксперимента СТЕРЕО на INSPIRE-HEP
Взято с "https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=STEREO_experiment&oldid=1228851727"