STEREO (експеримент)
STEREO (англ. Search for Sterile Reactor Neutrino Oscillations, пошук осциляцій стерильних реакторних нейтрино) — колишній експеримент з дослідження можливих осциляцій нейтрино з ядерного реактора з утворенням так званих стерильних нейтрино. Він проводився в Інституті Лауе–Ланжевена[en] в Греноблі у Франції. Експеримент збирав дані з листопада 2016 року по листопад 2020 року. Остаточні результати експерименту спростували гіпотезу легких стерильних нейтрино[1].
Детектор STEREO розміщений на відстані 10 м від дослідницького реактора в Інституті Лауе–Ланжевена[en], що має теплову потужність 58 МВт. STEREO вимірює потік і спектр нейтрино поблизу реактора[2]. Щоб мати можливість детектувати нейтрино, випромінені з реактора, детектор заповнений 1800 літрами органічного рідкого сцинтилятора, легованого гадолінієм[3]. Всередині сцинтилятора нейтрино захоплюються за допомогою процесу зворотного бета-розпаду
У цьому процесі утворюється позитрон. Коли позитрон рухається через сцинтилятор, утворюється світловий сигнал, який реєструється 48 фотоелектронними помножувачами, розташованими у верхній частині детектора[4]. Захоплення нейтрона, який також утворюється під час зворотного бета-розпаду, створює другий сигнал, одночасний з першим.
Очікувана відстань між максимумом і мінімумом коливань легких стерильних нейтрино становить приблизно 2 м. Щоб побачити коливання, детектор розділений на 6 окремих комірок, кожна з яких вимірює енергетичний спектр виявлених нейтрино. Шляхом порівняння виміряних спектрів можна виявити можливі коливання, як це зображено на рисунку.
Експеримент STEREO виявляє нейтрино на добу[5].
Нейтрино взаємодіють слабко. Тому нейтринні детектори, такі як STEREO, повинні бути дуже чутливими та потребують хорошого екранування від додаткових фонових сигналів, щоб мати змогу точно виявляти нейтрино[2].
Щоб досягти такої високої чутливості, 6 внутрішніх комірок детектора оточені рідким сцинтилятором (без гадолінію), який діє як «гамма-вловлювач», виявляючи вхідне та вихідне гамма-випромінювання. Це значно підвищує ефективність виявлення, а також енергетичну роздільну здатність детектора. Черенковський детектор, наповнений водою, розміщується на детекторі для виявлення космічних мюонів, утворених в атмосфері, які в іншому випадку діяли б як потужне фонове джерело. Щоб захистити детектор від навколишніх радіоактивних джерел, він оточений і захищений багатьма шарами матеріалу масою 65 т — здебільшого свинцю та поліетилену, а також чавуну, сталі та B4C.
Незважаючи на те, що нейтринні осциляції є явищем, яке сьогодні досить добре зрозуміле, все ще існують деякі експериментальні спостереження, які ставлять під сумнів повноту нашого розуміння цього процесу. Найпомітнішим із цих спостережень є так звана реакторна антинейтринна аномалія, проілюстрована на рисунку праворуч. Ряд експериментів з реакторними нейтрино з короткою базою виміряли значно нижчий потік електронних антинейтрино (νe) порівняно з теоретичними передбаченнями (з відхиленням 2,7 σ)[6]. Додатковими експериментальними аномаліями є несподівана поява νe у пучку νμ з короткою базою[7], а також зникнення νe на коротких відстанях під час фази калібрування експериментів GALLEX[8] і SAGE[9], відоме як галієва нейтринна аномалія.
Ці аномалії можуть означати, що наше розуміння нейтринних осциляцій досі неповне, і що нейтрино осцилюють в інший, 4-й вид нейтрино. Однак вимірювання ширини розпаду Z-бозона на Великому електрон-позитронному колайдері виключають існування легкого 4-го «активного» (тобто взаємодіючого через слабку силу) нейтрино[10]. Таким чином, коливання в додаткові легкі «стерильні» нейтрино розглядається як можливе пояснення спостережуваних аномалій. Крім того, стерильні нейтрино з'являються в багатьох відомих розширеннях Стандартної моделі фізики елементарних частинок, наприклад, у механізмі гойдалок 1-го типу.
Перші результати були опубліковані в 2018 році з використанням набору даних за 66 днів роботи реактора[11]. Більшість простору параметрів, які могли б відповідати реакторним антинейтринним аномаліям, було виключено на 90 % рівні довіри. Остаточні результати були опубліковані в 2023 році. Від жовтня 2017 року по листопад 2020 року було виявлено 107 588 антинейрино. Стерильні нейтрино були відкинуті до різниці квадратів мас між стандартним і стерильним станами до кількох (еВ)², як це зображено на рисунку[1].
- ↑ а б Almazán, H.; Bernard, L.; Blanchet, A.; Bonhomme, A.; Buck, C.; Chalil, A.; del Amo Sanchez, P.; El Atmani, I.; Labit, L. (2023). STEREO neutrino spectrum of 235U fission rejects sterile neutrino hypothesis. Nature (англ.). 613 (7943): 257—261. arXiv:2210.07664. doi:10.1038/s41586-022-05568-2. ISSN 1476-4687.
- ↑ а б Allemandou, N. та ін. (2018). The STEREO experiment. Journal of Instrumentation. 13 (7): P07009. arXiv:1804.09052. Bibcode:2018JInst..13P7009A. doi:10.1088/1748-0221/13/07/P07009.
- ↑ Buck, C.; Gramlich, B.; Lindner, M.; Roca, C.; Schoppmann, S. (2019). Production and properties of the liquid scintillators used in the STEREO reactor neutrino experiment. Journal of Instrumentation. 14 (1): P01027. arXiv:1812.02998. Bibcode:2019JInst..14P1027B. doi:10.1088/1748-0221/14/01/P01027.
- ↑ Bourrion, O. та ін. (2016). Trigger and readout electronics for the STEREO experiment. Journal of Instrumentation. 11 (2): C02078. arXiv:1510.08238. doi:10.1088/1748-0221/11/02/c02078.
- ↑ Bernard, Laura. Results from the STEREO Experiment with 119 days of Reactor-on Data. arXiv:1905.11896 [hep-ex].
- ↑ Mention, G.; Fechner, M.; Lasserre, Th.; Mueller, Th.A.; Lhuillier, D.; Cribier, M.; Letourneau, A. (2011). Reactor antineutrino anomaly. Physical Review D. 83 (7): 073006. arXiv:1101.2755. Bibcode:2011PhRvD..83g3006M. doi:10.1103/PhysRevD.83.073006.
- ↑ Aguilar, A.; Auerbach, L.B.; Burman, R.L.; Caldwell, D.O.; Church, E.D.; Cochran, A.K. та ін. (2001). Evidence for neutrino oscillations from the observation of νe appearance in a νμ beam. Physical Review D. 64 (11): 112007. arXiv:hep-ex/0104049. doi:10.1103/PhysRevD.64.112007.
- ↑ Giunti, Carlo; Laveder, Marco (2011). Statistical significance of the gallium anomaly. Physical Review C. 83 (6): 065504. arXiv:1006.3244. Bibcode:2011PhRvC..83f5504G. doi:10.1103/PhysRevC.83.065504.
- ↑ Abdurashitov, J.N.; Gavrin, V.N.; Girin, S.V.; Gorbachev, V.V.; Gurkina, P.P.; Ibragimova, T.V. та ін. (2006). Measurement of the response of a Ga solar neutrino experiment to neutrinos from a 37Ar source. Physical Review C. 73 (4): 045805. arXiv:nucl-ex/0512041. Bibcode:2006PhRvC..73d5805A. doi:10.1103/PhysRevC.73.045805.
- ↑ Allemandou, N.; Almazán, H.; del Amo Sanchez, P.; Bernard, L.; Bernard, C.; Blanchet, A. та ін. (2006). Precision electroweak measurements on the Z resonance. Physics Reports. 427 (5–6): 257—454. arXiv:hep-ex/0509008. Bibcode:2006PhR...427..257A. doi:10.1016/j.physrep.2005.12.006.
- ↑ Almazán, Helena; Bernard, Laura (2018). Sterile neutrino constraints from the STEREO experiment with 66 days of reactor-on data. Physical Review Letters. 121 (16): 161801. arXiv:1806.02096. Bibcode:2018PhRvL.121p1801A. doi:10.1103/PhysRevLett.121.161801. PMID 30387650.