Doble Chooz

El recipiente interior estaba hecho de plástico acrílico y tenía un diámetro de 230  cm, una altura de 245,8  cm y un espesor de 0,8  cm. Esta cámara estaba llena con 10 000 litros de centelleador líquido cargado con gadolinio (Gd) (1 gramo/litro); era el blanco de neutrinos. La siguiente capa era el captador de rayos gamma. Este rodeaba el blanco de neutrinos con una  capa de centelleador líquido sin Gd de 55 cm de espesor. La carcasa del captador de rayos gamma tenía 12  cm de espesor y estaba hecha del mismo material que el captador de neutrinos. Los materiales se eligieron de manera que ambos recipientes fueran transparentes a los fotones con una longitud de onda superior a 400  nm. ^{[ 3 ] [ 4 ]}

El recipiente amortiguador estaba hecho de acero inoxidable 304L con dimensiones de 552,2  cm de ancho por 568,0  cm de alto y 0,3  cm de espesor. El espacio interior restante, no ocupado por el recipiente doble de acrílico, se llenó con aceite mineral no centelleante. En la superficie interior del recipiente amortiguador se encontraban 390 tubos fotomultiplicadores de 10 pulgadas . El propósito de la capa amortiguadora era proteger de la radiactividad de los tubos fotomultiplicadores y de la roca circundante. Estas dos capas, además del blanco de neutrinos y el captador de rayos gamma, se denominaban colectivamente "detector interno". ^{[ 3 ] [ 4 ]}

La capa interna de veto rodeaba el recipiente amortiguador con una  capa de aceite mineral centelleante de 50 cm de espesor. Además, contaba con 78 tubos fotomultiplicadores (PMT) de 8 pulgadas distribuidos en la parte superior, inferior y laterales. Esta capa interna de veto actuaba como capa activa de veto para muones y neutrones rápidos. La  carcasa de acero circundante, de 15 cm de espesor, proporcionaba además protección contra los rayos gamma externos. La capa externa de veto cubría la parte superior del tanque del detector. Consistía en tiras de sección transversal de 5  cm x 1  cm dispuestas en direcciones ortogonales. ^{[ 3 ] [ 4 ]}

Las señales del detector interno y del veto interno se registraron mediante electrónica ADC flash de 8 bits con una frecuencia de muestreo de 500  MHz. El umbral de disparo para los detectores se estableció en 350 keV, mucho menor que los 1,02 MeV esperados para los antineutrinos electrónicos. ^{[ 3 ] [ 4 ]}

Durante varios años, Double Chooz había operado únicamente con el detector lejano y había utilizado modelos como Bugey4 para calcular el flujo esperado.

Los neutrinos son partículas eléctricamente neutras, extremadamente ligeras que solo interactúan débilmente, lo que significa que pueden viajar grandes distancias sin ser detectadas. Una de las propiedades de los neutrinos es que, a medida que se propagan, tienen la posibilidad de oscilar de un sabor a otro (${\displaystyle e,\mu ,\tau }$) a otro, y este es el principio bajo el cual opera el experimento. El objetivo de Double Chooz es restringir más estrictamente el valor para el${\displaystyle \theta _{13}}$ ángulo de mezcla.

El experimento de Chooz , realizado en la década de 1990, descubrió que la${\displaystyle \theta _{13}}$El ángulo de mezcla está limitado por

${\displaystyle \sin ^{2}(2\theta _{13})<0.2}$

que fue el mejor límite superior experimental durante más de una década. El objetivo del experimento Double Chooz es continuar explorando el${\displaystyle \theta _{13}}$ángulo mediante el sondeo de una región aún más pequeña

${\displaystyle 0.03<\sin ^{2}(2\theta _{13})<0.2}$

Las observaciones del ángulo de mezcla se realizan observando el${\displaystyle {\bar {\nu }}_{e}}$flujo que sale de los reactores durante sus reacciones de fisión . Debido a que una de las diferencias de masa al cuadrado del neutrino es mucho menor que la otra, el experimento Double Chooz solo necesita considerar una oscilación de dos sabores . En el modelo de dos sabores, la probabilidad de supervivencia de cualquier neutrino dado se modela mediante

${\displaystyle P=1-\sin ^{2}(2\theta _{13})\,\sin ^{2}\left({\frac {1.27\Delta m_{31}^{2}L}{E_{\nu }}}\right)\quad \mathrm {(en\;natural\;unidades).} }$

Aquí${\displaystyle L}$es la longitud en metros que ha viajado el neutrino y${\displaystyle E_{\nu }}$es la energía de la${\displaystyle {\bar {\nu }}_{e}}$partícula. A partir de esto, el valor del ángulo de mezcla se puede medir a partir de la amplitud de oscilación en las oscilaciones de neutrinos de reactor. ^{[ 4 ]}

Los neutrinos del reactor se observan mediante el proceso de desintegración beta inversa (IBD).

${\displaystyle {\bar {\nu }}_{e}+p\to e^{+}+n.}$^{[ 4 ]}

Dado que hay que tener en cuenta ciertos factores, los candidatos para (IBD) se determinan según lo siguiente: la energía visible de la señal inmediata debe estar entre 0,5 y 20 MeV; la señal retardada debe tener una energía entre 4 y 10 MeV; la diferencia de tiempo entre estas dos señales debe estar entre 0,5 y 150 microsegundos; la distancia entre los vértices de las dos señales debe ser inferior a 100  cm; y no se detectan otras señales (excepto la señal retardada) 200 microsegundos antes o 600 microsegundos después de la señal inmediata. La detección de la señal inmediata ha alcanzado una eficiencia cercana al 100%, sin embargo, no es tan fácil detectar la señal retardada debido a problemas como la concentración de Gd y los modelos de dispersión de neutrones. ^{[ 4 ]}

En noviembre de 2011, los primeros resultados del experimento, utilizando 228 días de datos, se presentaron en la conferencia LowNu en Seúl , sugiriendo un valor distinto de cero de θ ₁₃ , ^{[ 5 ]} seguido de un artículo enviado a arXiv en diciembre de 2011. ^{[ 6 ]} En el artículo de PRL ^{[ 7 ]} (publicado en 2012), la hipótesis de oscilación cero de θ ₁₃ fue excluida a 2,9 sigma al combinar los datos de desaparición del experimento Double Chooz y los datos de aparición del experimento T2K, que se habían publicado solo unos meses antes. Este resultado se convirtió en la evidencia más importante en ese momento y en la primera medición precisa de la amplitud de θ ₁₃ . Poco después, el experimento Daya Bay proporcionó su medición confirmatoria con una significancia de ≥5 σ . Los valores centrales de ambos experimentos Double Chooz y Daya Bay estaban en excelente concordancia y se han mantenido así (dentro de ≤2 σ ) hasta ahora. El experimento T2K ha empleado una técnica de combinación de análisis similar a la utilizada en el experimento Double Chooz en 2012 para obtener las primeras restricciones sobre la fase de violación de CP no nula en 2020.

La captura de neutrones en hidrógeno se utilizó para producir datos independientes, que se analizaron para obtener una medición separada en 2013: ^{[ 8 ]}

${\displaystyle \sin ^{2}(2\theta _ {13})=0.097\pm 0.034\,\mathrm {(stat)} \pm 0.034\,\mathrm {(syst)} .}$

Utilizando datos con el reactor apagado, se publicó en julio de 2014 en Physics Letters B una medición independiente del fondo ^{[ 9 ]} :

${\displaystyle \sin ^{2}(2\theta _ {13})=0.102\pm 0.028\,\mathrm {(stat)} \pm 0.033\,\mathrm {(syst)} .}$

Una medición mejorada con incertidumbres sistemáticas y de fondo reducidas después de 467,90 días de datos fue publicada en el Journal of High Energy Physics en 2014: ^{[ 4 ]}

${\displaystyle \sin ^{2}(2\theta _{13})=0.090_{-0.029}^{+0.032}.}$

Double Chooz pudo identificar la formación de positronio en su detector, lo que retrasa la aniquilación de positrones y distorsiona la señal de centelleo. ^{[ 10 ]} Se desarrolló un algoritmo de etiquetado que podría usarse en detectores de neutrinos para mejorar el rechazo del fondo, lo que Borexino hizo de manera similar para el fondo cosmogénico de ¹¹ C. Una vida media de ortopositronio de Se midió un valor de 3,68 ± 0,15 ns , compatible con otras configuraciones específicas.

También se establecieron límites en los parámetros de violación de Lorentz. ^{[ 11 ]}