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雙紹實驗

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雙紹實驗(英語:Double Chooz Experiment,簡稱Double Chooz)是於法國大東部大區阿登省進行的短基線微中子震盪實驗,旨在測量PMNS矩陣中的混合角。

該實驗利用紹核電站英語Chooz Nuclear Power Plant釋放出的微中子進行觀測。在距離反應堆約400米和1050米處分別設有一個微中子觀測器。其中,後者的觀測器為本實驗前身紹實驗英語Chooz (experiment)中使用的觀測器,前者為2014年9月新增的觀測器。2015年初,新增的觀測器也投入觀測活動中,與原有的觀測器共同進行數據收集[1]

實驗設施

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雙紹實驗利用2個添加了液體閃爍體探測器反微中子微中子振盪現象進行觀測[2]。這2個探測器被設置在功率為4.25 GW的紹核電站英語Chooz Nuclear Power Plant周邊。其中,設置在距反應堆400米和1050米的探測器分別被稱為「前置探測器」和「後置探測器」。後置觀測器為雙紹實驗的前身紹實驗英語Chooz (experiment)中使用的觀測器,而前置觀測器則為2014年9月新增的觀測器。2015年初,前置觀測器也進入了觀測狀態,與後置觀測器共同進行數據收集[1]。此外,除了與微中子源的距離不同外,為了遮蔽來源於宇宙的緲子,後置觀測器還被設置在具有300米水當量遮蔽能力的山丘內部[3][4]

微中子靶和γ探測器

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探測器的最內側為直徑230 cm、高245.8 cm、厚0.8 cm的丙烯酸系樹脂制容器。在該容器內裝有1萬升的液體閃爍體,其中還添加了濃度為1 g/L的,使得其成為微中子探測效率較高的微中子靶。其外側則是厚約55 cm的γ探測器。γ探測器由未加入釓的液體閃爍體構成。與微中子靶相同的是,γ探測器的外殼也採用了丙烯酸系樹脂,厚約12 cm。這種樹脂材質可以讓波長400 nm以上的光子透進容器內部[3][4]

緩衝容器和光電倍增管

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緩衝容器由寬552.2 cm、高568.0 cm、厚0.3 cm的304L不鏽鋼製成。在緩衝容器內部,未被微中子靶和γ探測器佔據的剩餘空間被充填了並非液體閃爍體的礦物油。在緩衝容器的內面共設有390個10英寸光電倍增管。設置緩衝容器的主要目的為對光電倍增管內部雜質和周圍岩石的放射能進行遮蔽。緩衝容器與微中子靶、γ探測器被統稱為「內部探測器」[3][4]

屏蔽信號對策

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為了屏蔽緲子快中子γ射線等非目標信號,雙紹實驗採取了多種硬件上的對策[3][4]

首先,雙紹實驗在緩衝容器外側設置了厚度為50 cm的礦物油閃爍體。其次,78個8英寸光電倍增管被佈置在緩衝容器的上部、下部和側面。這兩種對策所採用的裝置都位於實驗裝置相對靠內的位置,因此被稱為內部屏蔽層。內部屏蔽層主要可以屏蔽外界的緲子快中子。在內部屏蔽層外側還設有厚度為15 cm的鋼殼,可以對外部γ射線作進一步屏蔽。此外,在探測器的上部還設有由5 cm×1 cm塑料閃爍體條紋組成的外部屏蔽層[3][4]

數據收集

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來自內部探測器和內部屏蔽層的信號通過採樣率為500 MHz的8位閃存模擬數字轉換器英語Flash ADC進行記錄。探測器的觸發閾值被設定為350 keV,遠低於理論預測的反電微中子的1.02 MeV[3][4]

原理與目的

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觀測和信號篩選

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來源於反應堆微中子可通過逆β衰變進行觀測:

其中,反電微中子質子正電子中子。需要注意的是,在液體閃爍體中,上述反應釋放出的正電子會立即形成一個快信號。而同一個過程中釋放出的中子則需經過約200微秒減慢速度後才能被原子核俘獲。俘獲後會釋放出光子而形成一個慢信號[5]

由於實驗中存在噪音,因此並非所有滿足了探測器觸發條件的信號都被認為是微中子信號。對此,雙紹實驗採用了如下信號篩選方法:

  • 快信號的能量位於0.5至20 MeV之間;
  • 慢信號的能量位於4至10 MeV之間;
  • 快慢信號的時間差位於0.5至150 μs之間;
  • 快慢信號的頂點距離差不足100 cm;
  • 在一次事件的快信號發生前200微秒至後600微秒之內不存在其他事件的信號。

在雙紹實驗中,雖然快信號的檢測效率幾乎達到了100%,但由於濃度和中子散射模型的問題,檢測慢信號並不容易[4]

微中子混合

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由於微中子質量極小,因此可以以極快的速度運動。然而,在運動過程中,微中子可轉化成不同的)。這種現象被稱之為微中子振盪。微中子振盪可被龐蒂科夫-牧-中川-坂田矩陣(PMNS矩陣)解釋:

上述PMNS矩陣僅由4個參數構成,即3個混合角英語mixing angle和1個相位。其中,1990年代,雙紹實驗的前身紹實驗英語Chooz (experiment)曾對混合角之一的限制在以下範圍:

在此後的十數年間,該結果為的限制最嚴苛的範圍。雙紹實驗的目的便是在該實驗結果的基礎上在的範圍內進一步對的值進行限制。

混合角的測定可通過對核電站反應堆釋放出的反電微中子進行觀測從而實現。如果不考慮微中子振盪現象,每天在雙紹實驗的所在地可觀測到的反應堆反電微中子約有50個。然而,如果考慮第一種和第三種微中子態之間的微中子震盪[註 1],則在觀測到的反微中子中,理論上的反電微中子的比例為

其中,為微中子移動距離,為反電微中子的能量,為質量差。根據上述式子,便可以測出混合角的值[4]

實驗結果

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混合角

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2011年11月,雙紹實驗組發表了關於的值可能並非零值的結論[6][7]。到了2012年,基於對228日觀測結果的分析,雙紹實驗組宣佈在2.9 σ置信度下微中子不發生振盪的假說被排除,並提出了初步的測量結果[8]

2013年,雙紹實驗組更新了的範圍[9]

在減少了背景雜訊和系統性的不確定性後,雙紹實驗組利用467.90天的數據於2014年6月進一步更新了測定值[4]

此外,2014年7月,雙紹實驗組利用核電站停止運作時的觀測數據,發表了噪音水平與先前研究獨立的測定值[10]

其餘成果

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通過延遲正電子對湮滅並扭曲閃爍信號,雙紹實驗識別出了探測器內形成的正電子素事件,且測得正電子素的壽命為3.68±0.15 ns[11]

此外,雙紹實驗還對勞侖茲對稱性破缺英語Lorentz-violating neutrino oscillations的參數給出了限制。這是世界上首個利用反應堆微中子源測試勞侖茲不變性的實驗[12]

參見

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註釋

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  1. ^ 由於第二種和第三種微中子態之間的質量差與第一種和第三種微中子態之間的質量差相比小得多,因此可被忽略。

參考來源

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  1. ^ 1.0 1.1 Fumihiko Suekane; Thiago Junqueira de Castro Bezerra. Double Chooz and a history of reactor experiments. Nuclear Physics B. 2016, 908: 74–93. doi:10.1016/j.nuclphysb.2016.04.008 (英語). 
  2. ^ L, Mikaelyan and; V, Sinev. Neutrino Oscillations at Reactors: What Is Next?. Physics of Atomic Nuclei. 2000, 63 (6): 1002. Bibcode:2000PAN....63.1002M. arXiv:hep-ex/9908047可免費查閱. doi:10.1134/1.855739 (英語). 
  3. ^ 3.0 3.1 3.2 3.3 3.4 3.5 Ardellier, F.; et al. Double Chooz: A Search for the Neutrino Mixing Angle θ13. 2006. Bibcode:2006hep.ex....6025G. arXiv:hep-ex/0606025可免費查閱 (英語). 
  4. ^ 4.0 4.1 4.2 4.3 4.4 4.5 4.6 4.7 4.8 Abe, Y.; et al. Double Chooz Collaboration. Improved measurements of the neutrino mixing angle with the Double Chooz detector. Journal of High Energy Physics. 2014, 2014 (10): 86. Bibcode:2014JHEP...10..086A. arXiv:1406.7763可免費查閱. doi:10.1007/JHEP10(2014)086 (英語). 
  5. ^ 占亮. 反应堆中微子. 微中子研究與進展. 2018, 27 (6): 22–27 (中文(簡體)). 
  6. ^ First Results from the Double Chooz experiment. 東京大學宇宙射線研究所. 2011-11-25 [2024-09-06] (英語). 
  7. ^ Y, Abe; et al. Double Chooz collaboration. Indication for the disappearance of reactor electron antineutrinos in the Double Chooz experiment. Physical Review Letters. 2012, 108 (19): 131801. Bibcode:2012PhRvL.108m1801A. PMID 22540693. arXiv:1112.6353可免費查閱. doi:10.1103/PhysRevLett.108.131801 (英語). 
  8. ^ Abe, Y.; et al. Double Chooz Collaboration. Reactor disappearance in the Double Chooz experiment. Physical Review D. 2012, 86 (5): 052008. Bibcode:2012PhRvD..86e2008A. arXiv:1207.6632可免費查閱. doi:10.1103/PhysRevD.86.052008 (英語). 
  9. ^ Abe, Y.; et al. Double Chooz Collaboration. First Measurement of from Delayed Neutron Capture on Hydrogen in the Double Chooz Experiment. Physics Letters B. 2013, 723 (1-3): 66–70. Bibcode:2013PhLB..723...66A. arXiv:1301.2948可免費查閱. doi:10.1016/j.physletb.2013.04.050 (英語). 
  10. ^ Abe, Y.; et al. Double Chooz Collaboration. Background-independent measurement of in Double Chooz. Physics Letters B. 2014, 735: 51–56. Bibcode:2014PhLB..735...51A. arXiv:1401.5981可免費查閱. doi:10.1016/j.physletb.2014.04.045 (英語). 
  11. ^ Abe, Y.; et al. Double Chooz Collaboration. Ortho-positronium observation in the Double Chooz experiment. Journal of High Energy Physics. 2014, 2014 (10): 32. Bibcode:2014JHEP...10..032A. arXiv:1407.6913可免費查閱. doi:10.1007/JHEP10(2014)032可免費查閱. hdl:1721.1/92880 (英語). 
  12. ^ Abe, Y.; et al. Double Chooz Collaboration. First test of Lorentz violation with a reactor-based antineutrino experiment. Physical Review D. 2012, 86 (11): 112009. Bibcode:2012PhRvD..86k2009A. arXiv:1209.5810可免費查閱. doi:10.1103/PhysRevD.86.112009. hdl:1721.1/76809 (英語).