36°25′21″N 137°18′55″E / 36.4225°N 137.3153°E / 36.4225; 137.3153 [1] : 105 El detector de antineutrinos de centelleo líquido Kamioka (KamLAND) es un detector de antineutrinos de electrones en el Observatorio Kamioka , una instalación subterránea de detección de neutrinos en Hida, Gifu , Japón . El dispositivo está situado en el pozo de una 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 los productos radiactivos de la fisión en el combustible nuclear . Al igual que la intensidad de la luz de una bombilla o de una estrella distante, el flujo emitido isotrópicamente disminuye a 1/R 2 por cada distancia R creciente desde el reactor. El dispositivo es sensible hasta aproximadamente el 25% de los antineutrinos de los reactores nucleares que superan el umbral de energía de 1,8 megaelectronvoltios (MeV) y, por lo tanto, genera una señal en el detector.
Si los neutrinos tienen masa, pueden oscilar en sabores que un experimento puede no 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 consta de un recipiente de contención de acero inoxidable de 18 metros de diámetro con un revestimiento interior de 1.879 tubos fotomultiplicadores (1.325 PMT de 17" y 554 de 20"). [2] La cobertura del fotocátodo es del 34%. Su segunda capa interna consiste en unaGlobo de nailon de 13 m de diámetro lleno de un centelleador líquido compuesto por 1.000 toneladas métricas de aceite mineral , benceno y productos químicos fluorescentes . El aceite altamente purificado y no centelleante proporciona flotabilidad al globo y actúa como amortiguador para mantener el globo alejado de los tubos fotomultiplicadores ; el aceite también protege contra la radiación externa. Un detector Cherenkov de agua cilíndrico 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 (
v
mi) se detectan mediante la reacción de desintegración beta inversa , que tiene un umbral de energía de 1,8 MeV . La luz de centelleo rápido del positrón ( ) da una estimación de la energía del antineutrino incidente, donde es la energía del evento rápido que incluye la energía cinética del positrón y la energía de aniquilación . La cantidad < > es la energía media de retroceso de los neutrones , que es de sólo unas pocas decenas de kiloelectronvoltios (keV). El neutrón es capturado en hidrógeno aproximadamente 200 microsegundos (μs) después, emitiendo una característica 2,2 MeV
γ
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 de base, KamLAND tiene un volumen de detección mucho mayor en comparación con dispositivos anteriores. El detector KamLAND utiliza una masa de detección de 1.000 toneladas métricas, que es más del doble del tamaño de detectores similares, como el Borexino . Sin embargo, el mayor volumen del detector también exige una mayor protección contra los rayos cósmicos, por lo que el detector debe colocarse bajo tierra.
Como parte de la búsqueda de doble desintegración beta Kamland-Zen, en 2011 se suspendió en el centro del detector un globo de centelleo con 320 kg de xenón disuelto. [3] Está previsto 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 una dispersión inelástica del núcleo WIMP. [4] Se planean mejoras en el detector, agregando espejos colectores de luz y PMT con mayor eficiencia cuántica.
KamLAND comenzó a recopilar datos el 17 de enero de 2002. Los primeros resultados se informaron utilizando sólo 145 días de datos. [5] Sin oscilación de neutrinos ,Se esperaban 86,8 ± 5,6 eventos, sin embargo, sólo se observaron 54 eventos. 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 era de gran importancia.
El detector KamLAND no sólo cuenta la tasa de antineutrinos, sino que también mide su energía. La forma de este espectro de energía contiene información adicional que puede utilizarse para investigar hipótesis de oscilación de neutrinos. Los análisis estadísticos realizados en 2005 muestran que la distorsión del espectro es inconsistente con la hipótesis de no oscilación y con dos mecanismos de desaparición alternativos, a saber, los modelos de desintegración y decoherencia de neutrinos. [ cita necesaria ] Es consistente con la oscilación de 2 neutrinos y un ajuste proporciona los valores para 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. Este ajuste combinado proporciona y , la mejor determinación del parámetro de oscilación de neutrinos hasta la fecha. Desde entonces se ha utilizado un modelo de 3 neutrinos.
Se informaron mediciones combinadas de precisión en 2008 [7] y 2011: [8]
KamLAND también publicó en 2005 un estudio sobre los antineutrinos producidos geológicamente (los llamados geoneutrinos ). Estos neutrinos se producen durante la desintegración del torio y el uranio en la corteza y el manto de la Tierra . [9] Se detectaron algunos geoneutrinos y estos datos limitados se utilizaron para limitar la potencia de radio U/Th a menos de 60 TW.
Los resultados de la combinación con Borexino se publicaron en 2011, [10] midiendo el flujo de calor U/Th.
Los nuevos resultados de 2013, aprovechando la reducción de los fondos debido a las paradas de los reactores japoneses, permitieron limitar la producción de calor radiogénico U/Th a TW [11] utilizando 116 eventos. Esto limita los modelos de composición de la Tierra de silicato a granel y concuerda con el modelo de la Tierra de referencia.
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 la desintegración beta doble sin neutrinos de1,9 × 10 25 años . [12] También se midió una vida útil de desintegración beta doble: años, de acuerdo con otros estudios de xenón. [3] KamLAND-Zen planea continuar las observaciones con Xe más enriquecido y componentes detectores mejorados.
En agosto de 2016 se publicó una búsqueda mejorada que aumenta el límite de vida media a1,07 × 10 26 años , con una masa de neutrino limitada de 61 a 165 meV. [13]
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 las Fases I y II implicaron los años del límite inferior para la vida media de la desintegración beta doble sin neutrinos. El KamLAND-Zen 400 funcionó desde octubre de 2011 hasta octubre de 2015 y luego fue reemplazado por KamLAND-Zen 800. [14]
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 con 5 años de funcionamiento esperado. [15]
El experimento KamLAND-Zen 800 comenzó a tomar datos en enero de 2019 y los primeros resultados se publicaron en 2020. [16] En marzo de 2022, la colaboración KamLAND-Zen que utiliza 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 desintegración doble beta sin neutrinos y el límite inferior establecido para la vida media fue T > año, correspondiente a los límites superiores de la masa efectiva de neutrinos de Majorana de 36 a 156 meV. . [17]
La colaboración KamLAND-Zen tiene previsto construir a largo plazo otro aparato, KamLAND2-Zen .
