تجربة ستيريو

📅 آخر تحديث: ٣ أغسطس ٢٠٢٦
✍️ نُشر في: ٣ أغسطس ٢٠٢٦
📷 يحتوي على 6 صور
الموسوعة الحرة

استقصت تجربة STEREO ( البحث عن تذبذبات نيوترينو المفاعل العقيم ) إمكانية تذبذب النيوترينوات الصادرة من مفاعل نووي إلى نيوترينوات خفيفة تُعرف باسم النيوترينوات العقيمة . أُجريت التجربة في معهد لاو-لانجفين (ILL) في غرونوبل، فرنسا. وجمعت بيانات التجربة من نوفمبر 2016 إلى نوفمبر 2020. وقد رفضت النتائج النهائية للتجربة فرضية وجود نيوترينو عقيم خفيف. [ 1 ]

كاشف

مبدأ القياس

الشكل 2: مقارنة بين الأطياف المختلفة على بُعد 10  أمتار و12  مترًا من المفاعل. يُظهر الخط الأسود الحالة بدون تذبذب إلى نيوترينوات عقيمة، بينما يُظهر الخطان الأزرق والأحمر الحالة التي تتضمن التذبذب إلى نيوترينو عقيم خفيف.

يقع كاشف STEREO على بُعد 10  أمتار من مفاعل الأبحاث في معهد لاو لانجفين (ILL). تبلغ القدرة الحرارية لمفاعل الأبحاث 58  ميغاواط. من المفترض أن يقيس STEREO تدفق النيوترينو وطيفه بالقرب من المفاعل. [ 2 ] وللكشف عن النيوترينوات المنبعثة من المفاعل، يُملأ الكاشف بـ 1800 لتر من سائل وميضي عضوي مُطعّم بالغادولينيوم . [ 3 ] داخل هذا السائل الوميضي، تُمتص النيوترينوات عبر عملية اضمحلال بيتا العكسي .

ν¯هـ+ص→ن+هـ+{\displaystyle {\overline {\nu }}_{e}+p\rightarrow n+e^{+}}

في هذه العملية، يُنتَج بوزيترون . وعندما يمر البوزيترون عبر الوميض، تُنتَج إشارة ضوئية، تُستَكشَف بواسطة 48 أنبوبًا ضوئيًا مضاعفًا (PMTs) موضوعة أعلى خلايا الكاشف. [ 4 ] ويؤدي التقاط النيوترون، الذي يُنتَج أيضًا أثناء اضمحلال بيتا العكسي، إلى إنتاج إشارة تزامن ثانية.

تبلغ المسافة المتوقعة بين أعلى وأدنى تذبذب للنيوترينوات العقيمة الخفيفة حوالي مترين  . ولرصد هذا التذبذب، يُقسّم الكاشف إلى ست خلايا كاشفة منفصلة، ​​تقيس كل منها طيف طاقة النيوترينوات المكتشفة. وبمقارنة الأطياف المقاسة، يمكن اكتشاف تذبذب محتمل (انظر الشكل 2).

تكشف تجربة STEREO∼400{\displaystyle \sim 400}النيوترينوات في اليوم. [ 5 ]

حماية الكاشف

تتفاعل النيوترينوات بشكل ضعيف فقط . لذلك، تحتاج أجهزة الكشف عن النيوترينوات مثل STEREO إلى حساسية عالية وحجب جيد للإشارات الخلفية الإضافية لكي تتمكن من الكشف عن النيوترينوات بدقة. [ 2 ]

لتحقيق هذه الحساسية العالية، تُحاط خلايا الكاشف الست الداخلية بمادة وميضية سائلة (بدون غادولينيوم) تعمل كـ"مُستقبل لأشعة غاما"، حيث تكشف عن إشعاع غاما الداخل والخارج . يُحسّن هذا بشكل ملحوظ كفاءة الكشف ودقة الطاقة للكاشف. وُضع كاشف تشيرينكوف مملوء بالماء فوق الكاشف للكشف عن الميونات الكونية التي تُنتج في الغلاف الجوي، والتي قد تُشكّل مصدرًا كبيرًا للإشعاع الخلفي. ولحماية الكاشف من المصادر المشعة القادمة من التجارب المحيطة، يُحاط ويُغطى بطبقات عديدة (65  طنًا) مصنوعة في الغالب من الرصاص والبولي إيثيلين، بالإضافة إلى الحديد والصلب.ب4ج{\displaystyle {\ce {B_4C}}}.

تحفيز

الشكل  3: شذوذ النيوترينو المضاد للمفاعل (RAA)

على الرغم من أن تذبذب النيوترينو ظاهرة مفهومة جيدًا اليوم، إلا أن هناك بعض الملاحظات التجريبية التي لا تزال تُشكك في اكتمال فهمنا لها. أبرز هذه الملاحظات ما يُعرف بشذوذ نيوترينو المفاعل المضاد (RAA) (انظر الشكل  3). فقد قاس عدد من تجارب نيوترينو المفاعل ذات الخط الأساسي القصير تدفقًا أقل بكثير لنيوترينو الإلكترون المضاد ( νe ) مقارنةً بالتوقعات النظرية (انحراف 2.7 سيجما ). [ 6 ] ومن الشذوذات التجريبية الأخرى الظهور غير المتوقع لـ νe في حزمة νμ ذات الخط الأساسي القصير (شذوذ LSND) [ 7 ] ، بالإضافة إلى اختفاء νe على مسافات قصيرة خلال مرحلة معايرة تجربتي GALLEX [ 8 ] وSAGE [ 9 ]، والمعروف بشذوذ نيوترينو الغاليوم.  

الشكل  4: النتائج النهائية لتجربة STEREO. يظهر باللون الرمادي نطاق معلمات حد الثقة 95% لتفسير النيوترينو العقيم لظاهرة RAA. القيم الواقعة على يمين منحنيات الاستبعاد باللونين الأحمر والأزرق مرفوضة.

قد تشير هذه الشذوذات إلى أن فهمنا لتذبذبات النيوترينو لم يكتمل بعد، وأن النيوترينوات تتذبذب إلى نوع رابع آخر .  مع ذلك، تستبعد قياسات عرض اضمحلال بوزون Z  في مصادم الإلكترون-بوزيترون الكبير (LEP) وجود  نيوترينو رابع خفيف "نشط" (أي يتفاعل عبر القوة الضعيفة). [ 10 ] لذا، يُعتبر التذبذب إلى نيوترينوات خفيفة "عقيمة" إضافية تفسيرًا محتملاً للشذوذات المرصودة. إضافةً إلى ذلك، تظهر النيوترينوات العقيمة في العديد من التوسعات البارزة للنموذج القياسي لفيزياء الجسيمات ، مثل آلية الميزان من النوع  الأول.

نتائج

نُشرت النتائج الأولية في عام 2018 باستخدام بيانات  تشغيل المفاعل لمدة 66 يومًا. [ 11 ] تم استبعاد معظم نطاق المعلمات التي قد تفسر ظاهرة الامتصاص الإشعاعي عند مستوى ثقة 90%. نُشرت النتائج النهائية في عام 2023. تم رصد 107,588 مضاد نيورينو من أكتوبر 2017 حتى نوفمبر 2020. رُفض تفسير النيوترينو العقيم لظاهرة الامتصاص الإشعاعي حتى بضعة إلكترون فولت مربع (eV)² لفرق الكتلة التربيعي بين حالتي النيوترينو القياسي والعقيم (انظر الشكل 4). [ 1 ]

مراجع

  1. 1 2 المازان، ح.؛ برنارد، ل.؛ بلانشيت، أ. بونهوم، أ. باك، سي. خليل، أ. ديل آمو سانشيز، ب. العتماني، أنا؛ لابيت، ل.؛ لامبلين، J.؛ ليتورنو، أ. لويلير، د.؛ ليسياردي، م.؛ ليندنر، م. ماتيرنا، ت. (2023). "طيف النيوترينو المجسم من انشطار 235U يرفض فرضية النيوترينو العقيمة" . طبيعة . 613 (7943): 257–261 . أرخايف : 2210.07664 . دوى : 10.1038/s41586-022-05568-2 . ردمك 1476-4687 . PMID 36631644 .  
  2. 1 2 أليماندو، ن.؛ وآخرون (2018). "تجربة STEREO". مجلة الأجهزة . 13 (7) P07009. arXiv : 1804.09052 . Bibcode : 2018JInst..13P7009A . doi : 10.1088/1748-0221/13/07/P07009 . S2CID 119535365 .  
  3. ↑ باك، سي.؛ غرامليش، ب.؛ ليندنر، م.؛ روكا، سي.؛ شوبمان، س. (2019). "إنتاج وخصائص المواد الوميضية السائلة المستخدمة في تجربة نيوترينو مفاعل STEREO". مجلة الأجهزة . 14 (1) P01027. arXiv : 1812.02998 . Bibcode : 2019JInst..14P1027B . doi : 10.1088/1748-0221/14/01/P01027 . S2CID 119425357 . 
  4. ↑ بوريون، أ.؛ وآخرون (2016). "إلكترونيات التشغيل والقراءة لتجربة STEREO". مجلة الأجهزة . 11 (2) C02078. arXiv : 1510.08238 . doi : 10.1088/1748-0221/11/02/c02078 . S2CID 109826774 .  
  5. ↑ برنارد، لورا (2019). "نتائج تجربة STEREO مع 119 يومًا من بيانات تشغيل المفاعل". arXiv : 1905.11896 [ hep-ex ].
  6. ↑ مينشن، جي.؛ فيشنر، إم.؛ لاسير، تي.؛ مولر، تي. إيه.؛ لويلييه، دي.؛ كريبييه، إم.؛ ليتورنو، إيه. (2011). "شذوذ مضاد النيوترينو في المفاعل". مجلة Physical Review D. 83 (7) 073006. arXiv : 1101.2755 . Bibcode : 2011PhRvD..83g3006M . doi : 10.1103/PhysRevD.83.073006 . S2CID 14401655 .  
  7. ↑ أغيلار، أ.؛ أورباخ، ل.ب.؛ بورمان، ر.ل.؛ كالدويل، د.و.؛ تشيرش، إ.د.؛ كوكران، أ.ك.؛ وآخرون . (2001). "دليل على تذبذبات النيوترينو من خلال رصد ظهور ν e في حزمة ν μ ". مجلة Physical Review D. 64 ( 11) 112007. arXiv : hep-ex/0104049 . doi : 10.1103/PhysRevD.64.112007 . S2CID 118686517 .    
  8. ↑ جيونتي، كارلو؛ لافيدر، ماركو (2011). "الأهمية الإحصائية لشذوذ الغاليوم". مجلة Physical Review C. 83 (6) 065504. arXiv : 1006.3244 . Bibcode : 2011PhRvC..83f5504G . doi : 10.1103/PhysRevC.83.065504 . S2CID 119255011 .  
  9. ↑ عبد الرشيدوف، ج. ن.؛ جافرين، ف. ن.؛ جيرين، س. ف.؛ غورباتشيف، ف. ف.؛ جوركينا، ب. ب.؛ إبراهيموفا، ت. ف.؛ وآخرون . (2006). "قياس استجابة تجربة نيوترينو شمسي من الغاليوم للنيوترينوات من مصدر أرغون -37 ". مجلة Physical Review C. 73 (4) 045805. arXiv : nucl-ex/0512041 . Bibcode : 2006PhRvC..73d5805A . doi : 10.1103/PhysRevC.73.045805 . S2CID 119453823 .   
  10. ^ ألماندو، ن. المازان، ه.؛ ديل آمو سانشيز، ب. برنارد، ل.؛ برنارد، C .؛ بلانشيت، أ. وآخرون . (2006). “قياسات دقيقة للكهرباء الضعيفة على الرنين Z”. تقارير الفيزياء . 427 ( 5 – 6): 257 – 454. أرخايف : hep-ex/0509008 . بيب كود : 2006PhR...427..257A . دوى : 10.1016/j.physrep.2005.12.006 . S2CID 119482321 .    
  11. ↑ ألمازان، هيلينا؛ برنارد، لورا (2018). "قيود النيوترينو العقيم من تجربة STEREO مع بيانات تشغيل المفاعل لمدة 66 يومًا". مجلة Physical Review Letters . 121 (16) 161801. arXiv : 1806.02096 . Bibcode : 2018PhRvL.121p1801A . doi : 10.1103/PhysRevLett.121.161801 . PMID 30387650. S2CID 53223216 .