تجربه استریو

کد فیفرلین شکافت هسته ای و تحریک زدایی هسته های تولید شده را شبیه سازی می کند. استریو یک ردیاب نوترینو جمع و جور است که به دنبال یک نوترینو استریل فرضی است. دو موضوع جدا از هم پیشینی, که با این حال به تازگی ملاقات برای رسیدن به دقت بی سابقه ای در یک عنصر بسیار مهم در تشخیص نوترینو: د تحریک یک هسته گادولینیوم پس از جذب یک نوترون. نتایج این جلسه به تازگی در مجله اپجا منتشر شده است.

شکل 1: فرایند تشخیص نوترینو در استریو . نوترینو حادثه با یک هسته هیدروژن از سوسو زننده مایع تعامل دارد و یک پوزیترون (ه + ) و یک نوترون (ن) تشکیل می دهد که در بیشتر موارد توسط هسته گادولینیوم جذب می شود. © دی لویلیر

شکل 2: تصویر توزیع سطوح هیجان زده یک هسته. چگالی با انرژی تحریک بسیار سریع افزایش می یابد. در این مثال حالت اولیه که انرژی_n(انرژی جداسازی نوترون) به ترتیب 8 مگا ولت است که با انتشار 3 اشعه گاما به حالت زمین تحریک می شود. ای میل:

شکل 3: مقایسه بین انرژی تجربی (نقاط) و شبیه سازی شده (هیستوگرام) توزیع اشعه گاما در استریو پس از ضبط نوترون شناسایی شده است. نوترون ها توسط یک منبع رادیواکتیو که در نیمه راه سلول قرار دارد تولید می شوند. هاست لینوکس _ هاست لینوکس _ هاست لینوکس _ هاست لینوکس

هدف از تجربه استریو تست وجود یک نوترینو استریل با جستجوی نوسانات الکترون استاندارد ضد نوترینوهای تولید شده توسط راکتور تحقیقاتی بیمار گرنوبل است. اگرچه 4 * 10 15 نوترینو, ناشی از واپاشی بتا از محصولات شکافت, عبور هر ثانیه از طریق 2 متر 3 از جرقه زننده مایع از ردیاب, تنها یک نوترینو است رهگیری هر 4 دقایق. اگر یک نوترینو استریل وجود داشته باشد باعث ایجاد نوسان در تعداد نوترینوهای فعال شناسایی شده می شود که با مقایسه طیف های اندازه گیری شده در 6 سلول استریو قابل مشاهده است (در مورد ردیاب و اصل تشخیص اینجا بخوانید).

با چنین نرخ پایین نوترینو, یکی باید قادر به رد تمام سیگنال های دیگر باشد (تابش طبیعی, فعالیت راکتور) که می تواند سیگنال یک نوترینو تقلید. خوشبختانه فیزیکدانان امضای نسبتا منحصر به فردی از تعامل نوترینو با پروتون ردیاب دارند: تشخیص پوزیترون و سپس گرفتن نوترون (شکل 1). گادولینیوم برای کارایی بیشتر این فرایند با مایع سنتیلاتور مخلوط می شود. این عنصر رکورد اشتها برای نوترون ها را دارد. فقط در چند میکروثانیه نوترون تولید شده توسط یک نوترینو را ضبط می کند و مجموعه ای از پرتوهای گاما را منتشر می کند تا ضبط خود را با انرژی کل 8 مگا ولت نشان دهد که بسیار بالاتر از اکثر سیگنال های مزاحم است.

نوسانات مورد نظر استریو در مقیاس متر ایجاد می شود. بنابراین ردیاب جمع و جور است و بخشی غیر قابل اغماض از گاماهای کاسکاد از جرقه زن مایع فرار می کند. بنابراین سیگنال خوبی که در 8 مگاوات ولت انتظار می رود با یک دم کم انرژی کم پر می شود که با تمام این ذخایر انرژی نسبی کاسکاد پر شده است. قطع تشخیص برای ماندن در بالای پس زمینه اعمال می شود (معمولا انرژی های بالای 4.5 مگا ولت انتخاب می شوند). اما استریو می خواهد کارایی تشخیص خود را تا سطح %کنترل کند بنابراین لازم است دقیقا کاسکاد گاما تفاضل را توصیف کنیم.

در این مرحله فیفرلین با شناخت خوب از زمین های پیچیده گاما کاسکادز وارد صحنه می شود. این یک کد مونت کارلو است که در کاداراچ تولید و تحریک قطعات شکافت را برای پاسخگویی به نیازهای داده های هسته ای برای فیزیک راکتور شبیه سازی می کند [1]. که در ذرات, فیفرلین قادر به مدل سازی است کاسکید انتشار گاما و الکترون های ناشی از تحریک زدایی هسته ایجاد شده توسط جذب نوترون. برای این کار از تمام داده های ساختار هسته ای موجود استفاده می کند که اولین سطوح هیجان زده را توصیف می کند. اما پس از جذب یک نوترون, انرژی تحریک هسته تفاضل تفاضل می رسد یک زنجیره از سطوح (شکل 2). سپس فیفرلین بر اساس مدل های تراکم سطح برای تکمیل طرح های سطح است. پس از محاسبه تمام احتمالات انتقال بین سطحی, کد نمونه میلیون ها کاسکاد الکترومغناطیسی, در حالی که به طور همزمان کنترل تعداد و انرژی از اشعه گاما. سپس از این کاسکادها در شبیه سازی پاسخ ردیاب استریو استفاده می شود.

شکل 3 بهبود حاصل از فیفرلین را در توصیف انرژی اندازه گیری شده پس از جذب نوترون نشان می دهد. قله های ضبط در تفاضل (8 مگا ولت) و به میزان کمتری در هیدروژن (2.2 مگا ولت) به وضوح قابل مشاهده است. توافق اولیه حاصل شده با شبیهسازیهای گانت4 که توسط نمودار نشان داده شده رضایت بخش به نظر میرسد اما با این وجود تحریفهای باقیمانده برای ایجاد اختلاف 4.5 درصدی بین بازدههای تشخیص شبیهسازی و اندازهگیری شده برای یک منبع نوترونی در مرکز سلول کافی بود. با تشکر از شبیه سازی فیفرلین (نمودار قرمز), شرایط تقریبا کامل می شود. این مورد در مورد تراز قله ها و همچنین توزیع انرژی های میانی است که به توصیف کاسکادها بسیار حساس است. توافق بین شبیه سازی و داده ها با عدم قطعیت سطح زیر درصد به تنها 0.5 درصد می رسد [2].

جلسه پربار است که در زمان مناسب برای پیگیری استریو از دقت بالا! فناوری جرقه زننده های دوپ شده به طور گسترده ای برای تشخیص نوترینو استفاده می شود. این پیشرفت به سمت دقت بالا برای چندین پروژه در حال انجام مفید خواهد بود. به موازات انتشار این نتایج 10 میلیون کاسکاد تفاضلی در دسترس جامعه علمی قرار گرفته است [3].

منابع: [1] ای., "مدل سازی شکافت با فیفرلین", اپجا, 51 (2015) 177 [2] اچ الماز ارمن و همکاران., "شبیه سازی استریو بهبود یافته با طیف اشعه گاما جدید از ایزوتوپهای گادولینیوم هیجان زده با استفاده از فیفرلین", اپجا, 55 (2019) 183 [3] اچ الماز ارمن و همکاران., "داده ها از: شبیه سازی استریو بهبود یافته با طیف اشعه گاما جدید ایزوتوپ های گادولینیوم هیجان زده با استفاده از فیفرلین", زنودو, 2653786 (2019)

مارس 2019 — استریو در حال حرکت یک دنده است

تجربه استریو نتایج جدیدی را بر اساس تشخیص حدود 65000 نوترینو در فاصله کوتاهی از راکتور تحقیقاتی بد گرنوبل منتشر می کند. دقت بهبود یافته رد فرضیه یک نوترینو 4 در بخش بزرگی از دامنه پیش بینی شده از ناهنجاری نوترینو راکتور است. بهره مندی از یک کنترل خوب از پاسخ ردیاب, استریو در حال حاضر نیز اولین اندازه گیری مطلق خود را از نرخ نوترینو و شکل طیف منتشر.

شکل 1: کانتور خروج توسط جدیدترین داده های استریو در صفحه دامنه نوسان به سمت نوترینو 4 فرضی (محور افقی) و فرکانس این نوسان (محور عمودی) ترسیم شده است. منطقه ابی پوشش محرومیت مورد انتظار را با دقت موجود نشان می دهد که در صورتی حاصل می شود که تمام مشاهدات استریو دقیقا با انتظارات بدون نوترینو 4 مطابقت داشته باشد. منطقه قرمز کانتور محرومیت واقعی بر اساس داده های اندازه گیری شده است که منجر به نوسانات در اطراف حد مجاز می شود. تمام نقاط داخل کانتور قرمز با حداقل 90 درصد سطح اطمینان از مطالعه حذف شدند. این نتیجه بخش بزرگی از دامنه وجود نوترینو 4 پیش بینی شده از ناهنجاری نوترینو راکتور را رد می کند (با خطوط سیاه نشان داده می شود). © م. ویالات, بیمار

شکل 2: نسبت نرخ نوترینو اندازه گیری شده توسط استریو به نرخ مورد انتظار (نقطه ابی). این نتیجه جدید با مجموعه قبلی اندازه گیری ها در راکتورهایی که با سوخت هسته ای بسیار غنی شده کار می کنند (نقاط سیاه و میانگین بنفش) مطابقت خوبی دارد. میانگین جهانی جدید از جمله نتیجه استریو با رنگ قرمز نشان داده شده است. استخراج مستقل از نرخ نوترینو 235 یو از اندازه گیری های خلیج دایا و رنو در راکتورهای تجاری که با سوخت مخلوط کار می کنند برای مقایسه نشان داده شده است (نقطه سبز). © دی لویلیر

شکل 3: طیف نوترینو اندازه گیری شده توسط استریو (نقاط سیاه و سفید) در مقایسه با پیش بینی نرمال (خط زرد, این منطقه از طیف پیش بینی به مساحت طیف اندازه گیری برابر تنظیم شده است). © ال برنارد, ال پی اس سی

ذرات همه جا حاضر, نوترینو تحت بررسی دقیق در تمام انواع ردیاب برای تست نظریه مدل استاندارد هستند, به شاهد داخل راکتورها و یا ستاره, و یا به مطالعه خشن ترین و پدیده در مقیاس بزرگ در جهان. بنابراین تشخیص سیگنال های ضعیف به جا مانده از نوترینوها وارد دوره ای با دقت بالا شده است و ناهنجاری های جدیدی را در مقایسه با انتظارات نشان می دهد. هدف از این تجربه استریو است که برای انجام یک تست مستقیم از وجود یک فرضی 4 هفتم نوترینو, که می تواند کسری تا کنون غیر قابل توضیح از نوترینو شناسایی نزدیک به راکتورهای هسته ای سازگار (ناهنجاری نوترینو راکتور).

ردیاب استریو از اواخر سال 2016 در فاصله 10 متری از هسته راکتور موسسه لاو-لانگوین (بیمار) در گرنوبل فرانسه نصب شده است. این دقیقا میزان و طیف انرژی نوترینوهای ساطع شده از هسته در 6 سلول ردیاب یکسان را اندازه گیری می کند. اگر یک نوترینو 4 وجود داشته باشد با نوترینوهای استاندارد" نوسان " می کند و الگوی منحصر به فردی از اعوجاج طیفی را از یک سلول به سلول دیگر القا می کند. با این وجود طیف های اندازه گیری شده در 6 سلول ردیاب استریو دارای اشکال سازگار هستند و نیاز به تجزیه و تحلیل بسیار دقیق دارند. نتیجه حاضر به طور قابل توجهی دامنه وجود نوترینو 4 را کاهش می دهد (شکل 1). همانطور که استریو همچنان داده ها را ادامه می دهد حساسیت خود را بهبود می بخشد و منطقه باقی مانده را به سمت دامنه های مورد انتظار حتی کوچکتر از نوسانات تست می کند.

فراتر از مقایسه سلول به سلول, یک کار دشوارتر کنترل پاسخ مطلق ردیاب است. نتیجه استریو بسیار مورد توجه است زیرا سوخت هسته ای هسته بیمار بسیار غنی شده است و نوترینوهای شناسایی شده از شکافت یک ایزوتوپ منحصر به فرد 235 تو به جای ترکیبی از 4 ایزوتوپ شکافت در راکتورهای تجاری سرچشمه می گیرند. نرخ مطلق و شکل طیف در تجزیه و تحلیل استریو پنهان نگه داشته شده است. برای اولین بار پس از تعریف ارزیابی همه سیستماتیک ها و روش تجزیه و تحلیل "نابینا" هستند. شکل 2 نشان می دهد که استریو در واقع یکی از دقیق ترین اندازه گیری های نرخ نوترینو شکافت 235 است و دقت ارزشمندی را در تست ناهنجاری نوترینو راکتور اضافه می کند. شکل طیف به عنوان اندازه گیری شده توسط مجموع 6 سلول نشان می دهد یک توافق قابل توجه با شکل پیش بینی شده برای خالص 235 تو طیف تا 6.3 مگا ولت, اما انحرافات فراتر از عدم قطعیت تخمینی نیز در بالاترین انرژی دیده (شکل 3). استریو هنوز تمام پتانسیل خود را بیان نکرده است. مشاهدات کالیبراسیون مکمل برای کاهش بیشتر عدم قطعیت شکل و تعداد نوترینوهای خریداری شده تا اواسط سال 2020 در دست مطالعه است!

استریو یک تجربه فرانسوی-المانی است که توسط تیمی از دانشمندان ایرفو-سی در ساکلی ابداع و اداره می شود, انستیتو لاو-لانگوین در گرنوبل, لابراتوار فیزیک ذرات انسی, فیزیک زیراتمی و کیهان شناسی گرونوبل, انستیتو ماکس-پلانک, المان (مپیک).

منابع: [1] ال برنارد (برای همکاری استریو), 1905.11896 [هپ سابق]

مارس 2018 - استریو وجود یک نوترینو 4 را محدود می کند

تجربه استریو اولین نتایج فیزیک خود را در 53 رنکنترس د موریوند نشان داد. استریو یک ردیاب نوترینو است که از شش سلول مایع سوسوزن تشکیل شده است که از نوامبر 2016 ضد نوترینوهای الکترونیکی تولید شده توسط راکتور شار نوترونی گرنوبل در 10 متری هسته راکتور اندازه گیری می شود. وجود یک حالت نوترینو چهارم, به نام نوترینو استریل, می تواند کسری در شار نوترینو تشخیص داده شده در یک فاصله کوتاه از راکتورهای هسته ای در مقایسه با مقدار مورد انتظار توضیح. در واقع این ناهنجاری می تواند ناشی از نوسانات کوتاه برد باشد که منجر به شناسایی ضدنوترینوهای الکترونیکی کمتر مورد انتظار می شود زیرا در نوترینوهای استریل ناپدید می شوند. اولین نتایج در سال 2018 پس از 66 روز داده ها بخش قابل توجهی از فضای پارامتر را حذف می کند. داده ها تا پایان سال 2019 ادامه خواهد یافت. با ضرب ارقام چهار و به حداقل رساندن خطاهای تجزیه و تحلیل سیستماتیک, استریو قادر به روشن کردن وجود این خواهد بود 4 هفتم خانواده نوترینو.

شکل 1: استریو یک ردیاب نوترینو است که از شش سلول مایع سنتیلاسیون تشکیل شده است که داده ها را در فاصله 10 متری راکتور شار نوترونی گرنوبل (بیمار) می گیرد. © دی لویلیر

شکل 2: در مورد نوترینوهای ساطع شده از راکتورهای هسته ای با کارهای تحقیقاتی انجام شده در ایرفو کسری مشخص شده است. پس از یک ارزیابی مجدد از نرخ نوترینو پیش بینی, تمام مقادیر اندازه گیری بین 10 و 100 متر به وضوح کمبود در مقایسه با پیش بینی (خط نقطه چین قرمز). وجود یک نوترینو استریل می تواند این کسری را توضیح دهد. © تی. لاسر

شکل 3: مقادیر ممکن از 4 پارامترهای نوترینو هفتم توسط منحنی سیاه و سفید محدود, با ستاره مارک مورد به احتمال زیاد. محور عمودی به جرم و محور افقی به دامنه اختلاط با نوترینوهای ساطع شده از راکتور مربوط می شود. مناطق قرمز و سبز توسط اندازه گیری های استریو با سطوح اطمینان مختلف (95 و 90 درصد) رد می شوند. منطقه ابی نشان دهنده حساسیت رد نظری از تجربه استریو برای یک دقت امار مربوط به 66 روز از داده ها. © تی. سالاگناک, ال. پی اس سی

تشخیص نوترینوهای استریل در حالی که از فراوان ترین ذرات جهان هستند بسیار دشوار است. از قلب ستارگان یا در خشن ترین پدیده های جهان ما سرچشمه می گیرند اما می توانند توسط شتاب دهنده های ذرات یا مانند تجربه استریو در قلب راکتورهای هسته ای تولید شوند. نوترینوها بار الکتریکی ندارند و تعامل بسیار ضعیفی با ماده دارند. امروزه ما 3 نوع یا طعم دهنده را می شناسیم: نوترینو الکترونیکی, نوترینو موونیک و نوترینو تاویک. یک کشف شگفت انگیز که 20 سال پیش انجام شد نشان داد که نوترینوها می توانند طعم را تغییر دهند. هنگام سفر از یک طعم به طعم دیگر تغییر دهید. این پدیده با نام" نوسان نوترینو " در سال 2015 جایزه نوبل فیزیک را دریافت کرد.

بیش از وجود دارد 3 انواع نوترینو? علاقه به این موضوع در سال 2011 قدرت جدیدی پیدا کرد وقتی محققان خاطرنشان کردند که دو مجموعه از نتایج تجربی غیرقابل توضیح قبلی را می توان با تبدیل نوترینوها به نوع 4 نوترینو که قبلا مشاهده نشده بود تفسیر کرد (شکل 2). وجود حالت نوترینو چهارم به نام نوترینو استریل می تواند کسری شار نوترینو شناسایی شده در فاصله کوتاهی از راکتورهای هسته ای را در مقایسه با مقدار مورد انتظار توضیح دهد. در واقع این ناهنجاری می تواند ناشی از نوسانات کوتاه برد باشد که منجر به شناسایی ضدنوترینوهای الکترونیکی کمتر مورد انتظار می شود زیرا در نوترینوهای استریل ناپدید می شوند. این نوترینو که "استریل" نامیده می شود زیرا بدون برهمکنش مستقیم با ماده جرمی در اطراف خودروی الکتریکی خواهد داشت که بسیار بزرگتر از سه نوترینو دیگر است که قبلا شناخته شده بودند و کشف این ماده پیشرفت بزرگی در فیزیک ذرات خواهد بود. چندین مطالعه از جمله استریو با هدف تایید یا رد این فرضیه انجام شده است.

استریو: تجربه ای تا حد امکان نزدیک به راکتورها این پروژه شامل اندازه گیری نوسان ضد نوترینوهای الکترونیکی با یک ردیاب تقسیم شده شش سلولی است که در فاصله 10 متری هسته راکتور شار نوترونی بالا گرنوبل قرار دارد. شش سلول استریو 40 سانتی متر عرض دارند که امکان پیروی از نوسانات نوترینوها را بیش از 2.4 متر فراهم می کند. جذب یک نوترینو توسط یک اتم هیدروژن در مایع منجر به انتشار یک پوزیترون و یک نوترون با چند ده میکروثانیه می شود. از اواخر سال 2016 داده ها با کشف روزانه نزدیک به 400 ضد نوترینو در حال دستیابی هستند. اولین نتایج در سال 2018 پس از 66 روز داده ها بخش قابل توجهی از فضای پارامتر را حذف می کند. بخش مهندسی سیستم و الکترونیک ردیاب برای گروه فیزیک به ویژه در این پروژه با وظیفه هسته استریو درگیر هستند: مخزن ردیاب داخلی و تقسیم به سلول ها توسط دیواره های اکریلیک بازتابنده.

نتایجی که فرضیه نوترینوهای استریل را تضعیف می کند اولین نتایج تجربه استریو ارایه شده در جلسات موریوند بخش قابل توجهی از فضای پارامتر مورد انتظار برای وجود یک نوترینوی فرضی 4 را حذف می کند (شکل 3 را ببینید) اما تلاش جهانی برای نوترینوی استریل ادامه دارد. استریو در واقع در دقت افزایش خواهد یافت با تجمع 4 برابر بیشتر داده ها تا پایان 2019 و پروژه های رقیب در حال انجام خواهد نور اضافی در این فرضی 4 نوترینو ریخته. با توجه به ویژگی های هسته راکتور که در سال 235 بسیار غنی شده است تجربه استریو همچنین قادر به اندازه گیری جدیدی از طیف نوترینو ساطع شده از شکافت این ایزوتوپ خواهد بود که برای همه تجربیات نوترینو با راکتورها بسیار مهم است.

منابع: [1] ح. الماز ارگنر و همکاران. (همکاری استریو), فیزیک. کشیش لت. 121, 161801