Detector de antineutrinos por centelleo líquido Kamioka

36°25′21″N 137°18′55″E / 36.4225, -137.3153 ^{[1] : 105} El detector de antineutrinos de centelleo líquido de Kamioka (KamLAND) es un detector de antineutrinos electrónicos 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 . Aunque está ubicado en el Observatorio Kamioka, que forma parte de la Universidad de Tokio , este proyecto lo lleva a cabo un equipo de la Universidad de Tohoku . El sitio está rodeado por 53 reactores nucleares comerciales japoneses . Los reactores nucleares producen antineutrinos electrónicos ( ) durante la desintegración de productos de fisión radiactivos en el combustible nuclear . Al igual que la intensidad de la luz de una bombilla o una estrella distante, el flujo emitido isótropamente disminuye a 1/R ² por cada distancia R creciente desde el reactor. El dispositivo es sensible hasta un estimado del 25% de los antineutrinos de los reactores nucleares que superan el umbral de energía de 1,8 megaelectronvoltios (MeV) y, por tanto, produce una señal en el detector. ${\displaystyle {\bar {\nu }}_{e}}$${\displaystyle {\bar {\nu }}_{e}}$

Si los neutrinos tienen masa, pueden oscilar en sabores que un experimento no puede detectar, lo que lleva a una mayor atenuación o "desaparición" de los antineutrinos electrónicos. KamLAND está ubicado a una distancia promedio ponderada por flujo de aproximadamente 180 kilómetros de los reactores, lo que lo hace sensible a la mezcla de neutrinos asociada con soluciones de gran ángulo de mezcla (LMA) para el problema de los neutrinos solares .

La capa exterior del detector KamLAND consiste en un recipiente de contención de acero inoxidable de 18 metros de diámetro con un revestimiento interior de 1.879 tubos fotomultiplicadores (1325 PMT de 17" y 554 de 20"). ^[2] La cobertura del fotocátodo es del 34%. Su segunda capa interna consiste en unGlobo de nailon de 13 m de diámetro lleno de un centelleador líquido compuesto por 1.000 toneladas métricas de aceite mineral , benceno y sustancias químicas fluorescentes . El aceite altamente purificado y no centelleante proporciona flotabilidad al globo y actúa como amortiguador para mantenerlo alejado de los tubos fotomultiplicadores ; el aceite también protege contra la radiación externa. Un detector Cherenkov cilíndrico de agua 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 (
no
_mi) se detectan a través de la reacción de desintegración beta inversa , que tiene un umbral de energía de 1,8 MeV . La luz de centelleo inmediata del positrón ( ) proporciona una estimación de la energía del antineutrino incidente, , donde es la energía del evento inmediato que incluye la energía cinética del positrón y la energía de aniquilación . La cantidad < > es la energía de retroceso promedio del neutrón , que es solo unas pocas decenas de kiloelectronvoltios (keV). El neutrón es capturado en hidrógeno aproximadamente 200 microsegundos (μs) después, emitiendo una radiación característica.${\displaystyle {\bar {\nu }}_{e}+p\to e^{+}+n}$${\displaystyle {\bar {\nu }}_{e}}$ ${\displaystyle e^{+}}$${\displaystyle E_{\nu }=E_{prompt}+<E_{n}>+0,9MeV}$${\displaystyle E_{prompt}}$ ${\displaystyle e^{+}e^{-}}$ $Estilo de visualización E_{n}$2,2 MeV
gamma
rayo . 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 de flujo debido a la larga línea base, KamLAND tiene un volumen de detección mucho mayor en comparación con los dispositivos anteriores. El detector KamLAND utiliza una masa de detección de 1000 toneladas métricas, que es más del doble del tamaño de detectores similares, como Borexino . Sin embargo, el mayor volumen del detector también exige un mayor blindaje contra los rayos cósmicos, lo que requiere que el detector se coloque bajo tierra. ${\displaystyle {\bar {\nu }}_{e}}$

Como parte de la búsqueda de la desintegración beta doble de Kamland-Zen, en 2011 se suspendió en el centro del detector un globo centelleador con 320 kg de xenón disuelto. ^[3] Se planea reconstruir un globo 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 dispersión inelástica del núcleo WIMP. ^[4] Se planean mejoras en el detector, agregando espejos recolectores de luz y fotones con mayor eficiencia cuántica.

KamLAND comenzó a recopilar datos el 17 de enero de 2002. Los primeros resultados se informaron utilizando solo 145 días de datos. ^[5] Sin oscilación de neutrinos ,Se esperaban 86,8 ± 5,6 eventos, pero solo se observaron 54. 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 que la desaparición de antineutrinos es altamente significativa.

El detector KamLAND no sólo cuenta la tasa de antineutrinos, sino que también mide su energía. La forma de este espectro de energía lleva información adicional que puede utilizarse para investigar hipótesis de oscilación de neutrinos. Los análisis estadísticos de 2005 muestran que la distorsión del espectro es incompatible con la hipótesis de no oscilación y con dos mecanismos de desaparición alternativos, a saber, los modelos de desintegración y de decoherencia de neutrinos. ^{[7] [ cita requerida ]} Es coherente con la oscilación de 2 neutrinos y un ajuste proporciona los valores de 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 combinado de este tipo proporciona y , la mejor determinación de parámetros de oscilación de neutrinos hasta esa fecha. Desde entonces se ha utilizado un modelo de 3 neutrinos. ${\displaystyle \Delta {m^{2}}=7,9_{-0,5}^{+0,6}\cdot 10^{-5}{\text{eV}}^{2}}$${\displaystyle \tan ^{2}\theta = 0,40_{-0,07}^{+0,10}}$

Se informaron mediciones combinadas de precisión en 2008 ^[8] y 2011: ^[9]

${\displaystyle \Delta m_{21}^{2}=7,59\pm 0,21\cdot 10^{-5}\,{\text{eV}}^{2},\,\,\tan ^{2}\theta _{12}=0,47_{-0,05}^{+0,06}}$

KamLAND también publicó una investigación sobre 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 . ^[10] Se detectaron algunos geoneutrinos y estos datos limitados se utilizaron para limitar la radiopotencia U/Th a menos de 60 TW.

Los resultados de la combinación con Borexino se publicaron en 2011, ^[11] midiendo el flujo de calor U/Th.

Los nuevos resultados de 2013, que se beneficiaron de los fondos reducidos debido a los cierres de los reactores japoneses, permitieron limitar la producción de calor radiogénico U/Th a TW ^[12] utilizando 116 eventos. Esto limita los modelos de composición de la Tierra de silicato en masa y concuerda con el modelo de referencia de la Tierra. ${\displaystyle 11.2_{-5.1}^{+7.9}}$${\displaystyle {\bar {\nu }}_{e}}$

KamLAND-Zen utiliza el detector para estudiar la desintegración beta de ¹³⁶ Xe desde 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 . ^[13] También se midió una vida útil de desintegración beta doble:  años, en consonancia con otros estudios de xenón. ^[3] KamLAND-Zen planea continuar las observaciones con Xe más enriquecido y componentes de detector mejorados. ${\displaystyle 2,38\pm {0,02(\mathrm {stat} )}\pm {0,14(\mathrm {syst} )}*10^{21}}$

En agosto de 2016 se publicó una búsqueda mejorada, aumentando el límite de vida media a1,07 × 10 ²⁶  años , con un límite de masa de neutrino de 61-165 meV. ^[14]

El primer aparato KamLAND-Zen, KamLAND-Zen 400 , completó dos programas de investigación, la Fase I (octubre de 2011 - junio de 2012) y la Fase II (diciembre de 2013 - octubre de 2015). Los datos combinados de la Fase I y II implicaron los años límite inferiores para la vida media de desintegración beta doble sin neutrinos. El KamLAND-Zen 400 funcionó desde octubre de 2011 hasta octubre de 2015 y luego fue reemplazado por el KamLAND-Zen 800. ^[15]${\displaystyle 1.07\times 10^{26}}$

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 esperaba que la operación comenzara en el invierno de 2018-2019 y se espera que dure 5 años. ^[16]

El experimento KamLAND-Zen 800 comenzó a recopilar datos en enero de 2019 y los primeros resultados se publicaron en 2020. ^[17] En marzo de 2022, la Colaboración KamLAND-Zen, que utiliza el KamLAND-Zen 800, publicó resultados sobre la desintegración doble beta sin neutrinos en Xe-136 utilizando datos recopilados entre el 5 de febrero de 2019 y el 8 de mayo de 2021. No se observó ninguna desintegración doble beta sin neutrinos y el límite inferior establecido para la vida media fue T > año, que corresponde a los límites superiores de la masa efectiva del neutrino de Majorana de 36 a 156 meV. ^[18]${\displaystyle 2,3\veces 10^{26}}$

El proyecto de colaboración KamLAND-Zen tiene previsto construir a largo plazo otro aparato, KamLAND2-Zen .

• Abe, S; et al. (KamLAND Collaboration) (2008). "Medición de precisión de parámetros de oscilación de neutrinos con KamLAND". Physical Review Letters . 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
  no
  _mi"del sol y otras fuentes en KamLAND". Physical Review Letters . 92 (7): 071301–071305. arXiv : hep-ex/0310047 . Bibcode :2004PhRvL..92g1301E. doi :10.1103/PhysRevLett.92.071301. PMID  14995837. S2CID  119360978.

• Sitio web oficial de KamLAND
• KamLAND en el Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley (Berkeley Lab)
• Registro del experimento KamLAND en INSPIRE-HEP