Coordenadas :36 ° 25′21 ″ N 137 ° 18′55 ″ E / 36,4225 ° N 137,3153 ° E[1] : 105El Kamioka Liquid Scintillator Antineutrino Detector (KamLAND) es un detector de antineutrinos de electrones en el Observatorio Kamioka , una instalación subterránea de detección de neutrinos en Hida, Gifu , Japón . El dispositivo está situado en un pozo de mina a la deriva en la antigua cavidad KamiokaNDE en los Alpes japoneses . El sitio está rodeado por 53 reactores nucleares comerciales japoneses . Los reactores nucleares producen antineutrinos electrónicos () durante la desintegración de los productos de fisión radiactivos en el combustible nuclear . Como la intensidad de la luz de una bombilla o una estrella distante, la emisión isotrópica el flujo disminuye a 1 / R 2 por cada aumento de la distancia R desde el reactor. El dispositivo es sensible hasta aproximadamente un 25% de los antineutrinos de los reactores nucleares que superan el umbral de energía de 1,8 megaelectronvoltios (MeV) y, por lo tanto, produce una señal en el detector.
Si los neutrinos tienen masa, pueden oscilar en sabores que un experimento puede no detectar, lo que lleva a una mayor atenuación o "desaparición" de los antineutrinos electrónicos. KamLAND se encuentra a una distancia promedio ponderada de flujo de aproximadamente 180 kilómetros de los reactores, lo que lo hace sensible a la mezcla de neutrinos asociados con soluciones de gran ángulo de mezcla (LMA) para el problema de los neutrinos solares .
Detector KamLAND
Capa externa del detector KamLAND consiste en un 18 metros de diámetro de acero inoxidable recipiente de contención con un forro interior de 1.879 foto-multiplicadores tubos (1325 17" y 554 20" PMT). [2] La cobertura del fotocátodo es del 34%. Su segunda capa interna consiste en unaGlobo de nailon de 13 m de diámetro relleno con un centelleador líquido compuesto por 1.000 toneladas métricas de aceite mineral , benceno y productos químicos fluorescentes . No brillante, aceite altamente purificado proporciona flotabilidad para el globo y actúa como un tampón para mantener el globo lejos de los foto-multiplicador tubos; el aceite también protege contra la radiación externa. Un detector Cherenkov de agua cilíndrico de 3,2 kilotones rodea el recipiente de contención, actuando como un contador de veto de muones y proporcionando protección contra los rayos cósmicos y la radiactividad de la roca circundante.
Antineutrinos electrónicos (
ν
mi) se detectan mediante la reacción de desintegración beta inversa, que tiene un 1,8 MeV umbral de energía . La rápida luz de centelleo del positrón () da una estimación de la energía antineutrino incidente, , dónde es la energía del evento inmediato , incluida la energía cinética del positrón y la energía de aniquilación . La cantidad <> es la energía de retroceso de neutrones promedio , que es solo unas pocas decenas de kiloelectronvoltios (keV). El neutrón es capturado en hidrógeno aproximadamente 200 microsegundos (μs) más tarde, emitiendo una característica2,2 MeV γrayo . Esta firma de coincidencia retardada es una herramienta muy poderosa para distinguir los antineutrinos de los fondos producidos por otras partículas.
Para compensar la pérdida en flujo debido a la línea de base larga, KamLAND tiene un volumen de detección mucho mayor en comparación con los dispositivos anteriores. El detector KamLAND utiliza una masa de detección de 1,000 toneladas métricas, que es más del doble del tamaño de detectores similares, como Borexino . Sin embargo, el mayor volumen del detector también exige más protección contra los rayos cósmicos, lo que requiere que el detector se coloque bajo tierra.
Como parte de la búsqueda de desintegración beta doble de Kamland-Zen, un globo de centelleo con 320 kg de xenón disuelto se suspendió en el centro del detector en 2011. [3] Se planea un globo reconstruido más limpio con xenón adicional. KamLAND-PICO es un proyecto planificado que instalará el detector PICO-LON en KamLand para buscar materia oscura. PICO-LON es un cristal de NaI (Tl) radiopuro que observa la dispersión inelástica del núcleo WIMP. [4] Se planean mejoras al detector, agregando espejos recolectores de luz y PMT con mayor eficiencia cuántica.
Resultados
Oscilación de neutrinos
KamLAND comenzó a recopilar datos el 17 de enero de 2002. Los primeros resultados se informaron utilizando sólo 145 días de datos. [5] Sin oscilación de neutrinos ,Se esperaban 86,8 ± 5,6 eventos, sin embargo, solo se observaron 54 eventos. KamLAND confirmó este resultado con una muestra de datos de 515 días, [6] Se predijeron 365,2 eventos en ausencia de oscilación y se observaron 258 eventos. Estos resultados establecieron la desaparición de antineutrinos en un alto significado.
El detector KamLAND no solo cuenta la tasa de antineutrinos, sino que también mide su energía. La forma de este espectro de energía contiene información adicional que se puede utilizar para investigar hipótesis de oscilación de neutrinos. Los análisis estadísticos en 2005 muestran que la distorsión del espectro es inconsistente con la hipótesis de no oscilación y dos mecanismos alternativos de desaparición, a saber, los modelos de desintegración y descoherencia de neutrinos. [ cita requerida ] Es consistente con la oscilación de 2 neutrinos y un ajuste proporciona los valores para los parámetros Δm 2 y θ. Dado que KamLAND mide Δm 2 con mayor precisión y los experimentos solares superan la capacidad de KamLAND para medir θ, los parámetros de oscilación más precisos se obtienen en combinación con los resultados solares. Un ajuste tan combinado da y , la mejor determinación del parámetro de oscilación de neutrinos hasta esa fecha. Desde entonces se ha utilizado un modelo de 3 neutrinos.
Se notificaron mediciones combinadas de precisión en 2008 [7] y 2011: [8]
Antineutrinos geológicos (geoneutrinos)
KamLAND también publicó una investigación de antineutrinos producidos geológicamente (los llamados geoneutrinos ) en 2005. Estos neutrinos se producen en la desintegración del torio y el uranio en la corteza y el manto de la Tierra . [9] Se detectaron algunos geoneutrinos y estos datos limitados se utilizaron para limitar la potencia de radio U / Th a menos de 60TW.
Los resultados de la combinación con Borexino se publicaron en 2011, [10] midiendo el flujo de calor U / Th.
Los nuevos resultados de 2013, que se beneficiaron de los fondos reducidos debido a las paradas de los reactores japoneses, pudieron limitar la producción de calor radiogénico U / Th a TW [11] usando 116eventos. Esto restringe los modelos de composición de la Tierra de silicato a granel y concuerda con el modelo de la Tierra de referencia.
Búsqueda de decaimiento beta doble KamLAND-Zen
KamLAND-Zen usa el detector para estudiar la desintegración beta de 136 Xe de un globo colocado en el centelleador en el verano de 2011. Las observaciones establecen un límite para la vida media de desintegración doble beta sin neutrinos de1,9 × 10 25 años . [12] También se midió una vida útil de la desintegración beta doble: año, de acuerdo con otros estudios de xenón. [3] KamLAND-Zen planea observaciones continuas con Xe más enriquecido y componentes de detector mejorados.
En agosto de 2016 se publicó una búsqueda mejorada, que aumentó el límite de vida media a 1,07 × 10 26 años , con un límite de masa de neutrinos de 61-165 meV. [13]
El primer aparato KamLAND-Zen, KamLAND-Zen 400 , ha completado a partir de 2018 dos programas de investigación, Fase I (octubre de 2011 - junio de 2012) y Fase II (diciembre de 2013 - octubre de 2015). Los datos combinados de la Fase I y II implicaron el límite inferior años para la semivida de desintegración beta doble sin neutrinos.
El segundo aparato experimental KamLAND-Zen, KamLAND-Zen 800 , con un globo más grande de aproximadamente 750 kg de xenón se instaló en el detector KamLAND el 10 de mayo de 2018. Se espera que la operación comience en el invierno 2018-2019 con 5 años de operación prevista. [14]
La colaboración KamLAND-Zen planea construir otro aparato, KamLAND2-Zen a largo plazo.
Referencias
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- ^ http://www.ba.infn.it/~now/now2018/assets/yoshihitogandonow2018.pdf
Otras lecturas
- Abe, S; et al. (Colaboración KamLAND) (2008). "Medición de precisión de los parámetros de oscilación de neutrinos con KamLAND". Cartas de revisión física . 100 (22): 221803. arXiv : 0801.4589 . Código Bibliográfico : 2008PhRvL.100v1803A . doi : 10.1103 / PhysRevLett.100.221803 . PMID 18643415 . S2CID 119291217 .
- Eguchi, K; et al. (Colaboración KamLAND) (2004). "Búsqueda de alta sensibilidad para
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enlaces externos
- Sitio web oficial de KamLAND
- KamLAND en el Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley (Berkeley Lab)