Введение

Эксперимент по нейтринным колебаниям в Японии Детектор нейтринного жидкостного сцинтиллятора Камиока (KamLAND) - электронный детектор нейтринного вещества в обсерватории Камиока, подземном объекте обнаружения нейтрино в Хида, Гифу, Япония. Устройство расположено в шахте дрейф-майна в старом камере KamiokaNDE в японских Альпах. Хотя он расположен в обсерватории Камиока, которая является частью Токийского университета, этот проект проводится командой в Университете Тохоку. В окружении объекта находятся 53 японских коммерческих ядерных реактора. Ядерные реакторы производят электронные антинейтрино во время распада радиоактивных продуктов деления в ядерном топливе. Как и интенсивность света от лампочки или далекой звезды, изотропически излучаемый поток уменьшается на 1/R2 с увеличением расстояния R от реактора. Устройство чувствительно к примерно 25% антинейтрино из ядерных реакторов, которые превышают пороговую энергию 1,8 мегаэлектронвольт (MeV), и таким образом вырабатывает сигнал в детекторе. Если нейтрино имеют массу, они могут колебаться в ощущениях, которые эксперимент не может обнаружить, что приводит к дальнейшему затемнению или "исчезновению" электронных антинейтрино. KamLAND расположен на среднем расстоянии, взвешенном по потоку, примерно 180 километров от реакторов, что делает его чувствительным к смешиванию нейтрино, связанным с решениями проблемы солнечных нейтрино с большим углом смешивания (LMA).

Детектор KamLAND

Внешний слой детектора KamLAND состоит из контейнера из нержавеющей стали диаметром 18 метров с внутренней подкладкой из 1879 фотомультипликаторных труб (1325 17" и 554 20" PMT). Покрытие фотокатода 34%. Второй, внутренний слой состоит из нейлонового шарика диаметром 13 см, наполненного жидким сцинтиллятором, состоящим из 1000 тонн минерального масла, бензола и флуоресцентных химических веществ. Не сцинтилирующее, высокоочищенное масло обеспечивает плавучесть для воздушного шара и действует как буфер, чтобы держать воздушный шар подальше от фотомультипликаторных трубок; масло также защищает от внешнего излучения. 3,2-килотонный цилиндрический детектор воды Черенкова окружает контейнер, действуя как счетчик вето мюонов и обеспечивая защиту от космических лучей и радиоактивности из окружающей породы. Электронные антинейтрино обнаруживаются посредством реакции обратного бета-распада, которая имеет энергетический порог 1,8 МеВ. Свет сцинтилляции из позитрона дает оценку энергии антинейтрино, где энергия события включает кинетическую энергию позитрона и энергию аннигиляции. Величина <> - это средняя энергия отката нейтронов, которая составляет всего несколько десятков килоэлектронвольт (keV). Нейтрон захватывается на водороде примерно через 200 микросекунд (мкм), излучая характерный луч 2.2. Эта отложенная сигнатура совпадения является очень мощным инструментом для отличения антинейтрино от фонов, производимых другими частицами. Чтобы компенсировать потерю потока из-за длинной базовой линии, KamLAND имеет гораздо больший объем обнаружения по сравнению с более ранними устройствами. Детектор KamLAND использует массу обнаружения в 1000 метрических тонн, что более чем в два раза больше, чем у аналогичных детекторов, таких как Borexino. Однако увеличенный объем детектора также требует большего защиты от космических лучей, что требует размещения детектора под землей. В рамках поиска двойного бета-распада Kamland Zen в 2011 году в центре детектора был подвешен баллон сцинтиллятора с 320 кг растворенного ксенона. Планируется улучшение детектора, добавление светособирающих зеркал и ПМТ с более высокой квантовой эффективностью.

Геологические антинейтрино (геонейтрино)

KamLAND также опубликовал исследование геологически произведенных антинейтрино (так называемых геонейтрино) в 2005 году. Эти нейтрино образуются при распаде тория и урана в земной коре и мантии. Было обнаружено несколько геонейтрино, и эти ограниченные данные были использованы для ограничения радиоэнергии U/Th до 60 ТВт. Результаты комбинации с Borexino были опубликованы в 2011 году, измеряя тепловой поток U/Th. Новые результаты в 2013 году, полученные в результате уменьшения фонов из-за закрытия японских реакторов, позволили ограничить производство радиогенного тепла U/Th для TW с использованием 116 событий. Это ограничивает модели состава силикатной массы Земли и согласуется с эталонной моделью Земли.

Поиск двойного бета-распада

KamLAND Zen использует детектор для изучения бета-распада 136Xe из шарика, помещенного в сцинтиллятор летом 2011 года. Наблюдения установили предельный период полураспада без нейтринового двойного бета-распада в 1,9. Также был измерен двойной срок жизни бета-распада: год, что согласуется с другими исследованиями ксенона. KamLAND Zen планирует продолжить наблюдения с более обогащенными Xe и улучшенными компонентами детектора. Улучшенный поиск был опубликован в августе 2016 года, увеличив лимит полураспада до 1,07, с массой нейтрино 61165 меВ. Первый аппарат KamLAND Zen, KamLAND Zen 400, завершил две исследовательские программы, Фаза I (октябрь 2011 г. июнь 2012 г.) и Фаза II (декабрь 2013 г. октябрь 2015 г.). Объединенные данные фазы I и II предполагали, что нижний предел - годы для полураспада без нейтринового двойного бета- распада. KamLAND Zen 400 работал с октября 2011 года по октябрь 2015 года, а затем был заменен KamLAND Zen 800. Второй экспериментальный аппарат KamLAND Zen, KamLAND Zen 800, с большим баллоном около 750 кг ксенона был установлен в детекторе KamLAND 10 мая 2018 года. Ожидалось, что операция начнется зимой 2018-2019 годов с ожидаемой пятилетней эксплуатацией. Эксперимент KamLAND Zen 800 начал собирать данные в январе 2019 года, а первые результаты были опубликованы в 2020 году. В марте 2022 года сотрудничество KamLAND Zen с использованием KamLAND Zen 800 опубликовало результаты о безнейтроновом двойном бета-распада в Xe 136 с использованием данных, собранных в период с 5 февраля 2019 года по 8 мая 2021 года. Не было обнаружено двойного бета- распада без нейтрино, а установленная нижняя граница полураспада была T > yr, соответствующая верхним границам эффективной массы нейтрино Майораны 36 156 меВ. В долгосрочной перспективе сотрудничество KamLAND Zen планирует построить еще один аппарат KamLAND2 Zen.