CONUS 실험

CONUS-Experiment


그림 1: Brokdorf 원전 외관

CONUS(COHERENT Neutrino nUcleus Scattering) 실험은 독일 Brokdorf에 있는 상업용 원자력 발전소의 연구 프로젝트이다(그림 1 참조).CONUS 프로젝트는 Max-Planck-Institut für Kernphysik과 Preussen Elektra GmbH가 후원합니다.

CONUS 프로젝트는 원자핵에서 중성미자의 일관된 탄성 산란 과정을 찾는 것이다.주요 목표 t는 이 과정의 존재를 확인하고 이 상호작용 유형을 사용하여 소립자 물리학의 표준 모델 내 및 그 밖의 중성미자 특성을 조사하는 것입니다.

과학적 원리와 동기 부여 - 코히런트 탄성 중성미자 핵 산란

그림 2: 중성 Z-보손의 교환을 통해 원자핵에서 산란되는 간섭성 탄성 중성미자의 표현
그림 3: 코히런트 탄성 중성미자 핵 산란의 에너지 의존 단면 대 중성미자-양성자 산란의 단면, 역 베타 붕괴 및 중성미자-전자 산란의 단면

전기적으로 중성인 렙톤 중성미자는 약한 힘을 통해서만 다른 입자와 상호작용합니다.이러한 사실 때문에 중성미자 검출기는 일반적으로 매우 크고 몇 톤의 표적 물질로 채워진다.

중성미자를 검출할 수 있는 방법은 기본적으로 두 가지가 있습니다.첫째, 그들은 대상 원자의 원자 껍질에 있는 전자와 상호작용할 수 있고, 둘째, 그들은 원자핵의 양성자 및 중성자와 상호작용할 수 있다.중성미자와 핵성분뿐만 아니라 중성미자와 전자 사이의 상호작용은 이미 잘 [1]연구되었다.

단, 최대 수십 메가 전자볼트(MeV)까지 낮은 에너지에서 중성미자는 핵 전체와 일관되게 상호작용할 수 있다(그림 2 참조).이 과정은 1974년에[2] 예측되었으며 간섭성 탄성 중성미자 핵 산란(CEceNS)으로 알려져 있다.그 단면은 기존에 사용된 상호작용 채널의 단면보다 몇 가지 크기이지만(그림 3 참조), 충돌한 핵의 작은 반동으로 인해 에너지 방출이 매우 낮기 때문에 그 과정을 감지하기가 매우 어렵다.따라서 이 과정을 조사하는 실험에는 에너지 임계값이 매우 낮은 검출기(즉, 1킬로 전자볼트(keV) 미만)가 필요하다.한편, CEnsNS 상호작용 단면이 강화되기 때문에, 몇 kg의 검출기 재료는 상호작용을 검출하기에 충분할 수 있다.

COOHENT 실험은 세계 최초의 실험으로서 2017년에 [3]COOHENT 탄성 중성미자 핵 산란의 존재를 실험적으로 증명할 수 있었다.여기서는 원자로 중성미자에 비해 상대적으로 높은 에너지 중성미자 빔을 사용했다.완전히 일관된 체제의 낮은 에너지에서 추가적인 보완 연구는 아직 오지 않았다.이 저에너지 중성미자 영역을 조사하는 것이 CONUS 프로젝트의 주요 목표입니다.

검출기

위치

원자로에서 중성미자를 이용한 CE-NS의 특성 검출과 상세한 조사를 위해서는 중성미자 플럭스의 극대화를 보장하기 위해 검출기가 원자로 노심에 최대한 가깝게 배치되어야 한다.이를 위해 CONUS 검출기는 Brokdorf의 [4][5]원자로시설 내 노심으로부터 17m 거리에 위치한다(그림4 참조).이는 원자로 운전에 지장을 주지 않고 시설 내에 배치할 수 있는 검출기 기술이 선택되었기 때문이다.

브록도프트 원자로는 최대 3.9GW의 열출력에서 작동하며 세계에서 가장 강력한 원자로 중 하나이다.평균적으로 핵분열당 약 7.2개의 중성미자가 생성된다(핵분열 생성물 6개와 우라늄-238의 [7][8]중성자 포획 후 붕괴로 인해 1.2개).검출기 부위에서 이는 초당 약 23조 개의 중성미자를 생성하며 평방 센티미터의 [9][10]플럭스를 생성한다.


검출기 및 측정

그림 5: 열린 CONUS 실드와 4개의 게르마늄 검출기 사진

CONUS Collaboration은 각각 1kg의 고순도 게르마늄 반도체 [6]검출기 4개를 사용하고 있다(그림 5 참조).

원자로 노심에서 유래한 중성미자가 게르마늄 핵에 산란하면 핵의 작은 반동에너지가 부분적으로 이온화 에너지로, 일부는 방산열로 변환된다.CONUS에서 사용되는 이온화 검출기에서 첫 번째 에너지 부분만이 전기 신호 형성에 기여한다.소실 현상은 담금질이라고 알려져 있으며 일반적으로 린드하르트 [10]이론으로 설명된다.따라서, 이 담금질 인자의 불확실성이 실험의 주요 체계학 중 하나이기 때문에, 이 담금질 인자에 대한 정확한 지식은 중요하다.CONUS는 일관성 있는 탄성 중성미자 핵 산란을 검출하기 위해 원자로 온 및 원자로 오프 데이터를 수집하고 있다.이러한 데이터를 비교함으로써 원자로 가동 시간 동안 예상되는 에너지 윈도우에서 초과 이벤트가 발생하면 CE-NS의 존재가 드러날 수 있다.또한 원자로 정지 시간 동안 측정을 통해 백그라운드 비율과 그 구성요소를 정확하게 결정할 수 있다.CONUS는 2018년 4월 1일부터 데이터 수집을 시작했으며, 이후 지속적으로 운영되고 있습니다.

실드

CEnsNS는 단면이 가장 높은 중성미자 상호작용이지만 여전히 드문 과정이다.또한 에너지와 운동량 전달(<1 keV)이 매우 작기 때문에 적합한 검출기는 추가 배경으로부터 보호되어야 한다.CONUS에서 적용되는 3가지 주요 배경 유형과 그 완화 전략을 다음과 같이 요약합니다.
관련 배경은 세 가지 범주로 나눌 수 있습니다.

  • 우주 복사:우주 뮤온 및 뮤온 유도 샤워는 검출기의 대상 물질과 대량으로 상호작용할 수 있다.따라서 우주 방사선은 가장 관련성이 높은 배경 중 하나이다.이러한 유형의 배경을 억제하기 위해 많은 저배경 실험이 지하 깊은 곳에 배치됩니다.그러나 CONUS에는 가능하지 않다.여기서 원자로 건물은 약간의 오버부하를 제공하여 뮤온 플럭스를 2-3배만 감소시킨다.뮤오닉 배경을 더욱 잘 억제하기 위해 CONUS 검출기는 능동 뮤오 거부 시스템에 둘러싸여 있다(그림 5 참조).검출기 설정을 통과하는 유입 뮤온을 검출할 수 있는 섬광기 층으로 구성된다.이렇게 하면 뮤온에 의해 유발되는 배경을 약 [4]100배 줄일 수 있습니다.
  • 로컬 배경:우주 복사 외에도, 직접적인 환경으로부터 오는 배경도 있다.국지적 배경에 대한 가장 중요한 기여는 주변에서 자연적으로 발생하는 방사능과 원자로 [4]노심으로부터 방사되는 중성자이다.이러한 배경으로부터 검출기를 보호하기 위해 검출기는 여러 층의 납(총 25cm)과 붕소 도프 폴리에틸렌 판으로 덮여 있다(그림 5 참조).실험(특히 폐쇄 환경에 위치한 실험)이 다루어야 하는 또 다른 중요한 배경 선원은 공기 중 라돈의 방사성 붕괴이다.라돈은 불활성 가스이므로 차폐층의 미세한 틈을 통해 누출되어 검출기 근처에서 붕괴될 수 있다.이 문제를 해결하기 위해 Detector 챔버를 압축 공기병에서 라돈이 없는 공기로 연속적으로 플러싱한다.
  • 고유 방사능:검출기에는 소량의 방사성 동위원소도 포함되어 있다.따라서 검출기 내부의 방사성 불순물의 양을 최소화할 필요가 있다.이 목표를 달성하기 위해 Max-Planck-Institut für Kernphysik의 지하 실험실에서 GIOVE 검출기의 도움을 받아 검출기 제작에 사용된 재료를 신중하게 분석하여 그에 따라 선택하였다.

CONUS 설정은 1.6m^3의 적은 부피에도 불구하고, 고밀도 실드는 총 11톤의 [4]질량을 초래한다.

결과(2021년 1월)

2020년 CONUS 프로젝트는 원자로를 켠 상태에서 약 70일, 원자로를 [5]끈 상태에서 약 16일 동안 유효 측정 시간을 거친 후 3.73kg의 활성 검출기 재료를 사용한 CEnsNS에 대한 첫 결과를 발표했다.이러한 데이터를 사용하여 지금까지 CE-NS 프로세스의 존재에 대한 가장 정확한 상한을 완전히 일관된 체제에서 결정할 수 있었다.이 한계는 표준 모델 이론이나 그 변형에서 CE sinceNS의 강도에 대한 예측을 테스트할 수 있기 때문에 기본적인 중성미자 연구에 귀중한 정보를 구성한다.매우 낮은 에너지 임계값, 초저배경 수준 및 장기적인 안정성을 가진 CONUS 검출기의 고유한 성능은 [6]참고문헌에서 강조된다.

2021년 말 원자로 운전이 종료될 때까지 수집된 추가 데이터, 데이터 수집 시스템의 추가 개선 및 게르마늄의 담금질 인자에 대한 더 나은 이해와 함께, 실험의 민감도는 향후 몇 년 동안 상당히 개선될 것으로 예상된다.

적용들

간섭성 탄성 중성미자 핵 산란 과정을 이해하는 것은 다른 영역에서도 몇 가지 가능성을 제공할 수 있다.
일반적으로 일관성 있는 탄성 중성미자 핵 산란 과정이 핵심-붕괴 [12]초신성의 역학에서 중요한 역할을 할 것으로 예상된다.따라서 이 과정을 조사하는 것은 이러한 항성 폭발의 역학을 더 잘 이해하는 데 도움이 될 것입니다.게다가, 일관성 있는 탄성 중성미자 핵 산란에 대한 상세한 연구는 입자 물리학의 표준 모델을 넘어선 새로운 물리학을 잠재적으로 밝힐 수 있다.예를 들어 중성미자의 전자기 특성(예: 중성미자 자기 모멘트)을 연구하거나, 낮은 에너지에서 약한 혼합 각도의 잠재적 편차를 조사하거나,[13] 중성미자-쿼크 부문에서 가능한 비표준 상호작용을 연구하는 데 사용할 수 있다.

기초과학의 기본적인 중요성 외에도 CEnsNS를 통한 중성미자 검출은 몇 가지 실용적인 응용을 제공한다.예를 들어 원자로 모니터링에 [14]CONUS와 같은 디텍터를 사용할 수 있습니다.

외부 링크

레퍼런스

  1. ^ C. Gunti, W. Kim Chung: "중성미자 물리와 천체물리학의 기초", OUP 옥스퍼드 (15.03.2007) ISBN978-0198508717
  2. ^ D. Z. Freedman: "약한 중성 전류의 일관성 있는 영향", 물리.개정판 D 9, 1389(1974), DOI: 10.1103/PhysRevD.9.1389
  3. ^ D. Akimov 외 연구진(COINT Collaboration): "코히런트 탄성 중성미자 핵 산란 관찰", 과학 357권 #6356 - 2017, DOI:10.1126/과학.aao0990, arXiv:1708.01294
  4. ^ a b c d J. 하켄뮐러 외:"CONUS 실험에서의 중성자 유도 배경", arXiv: 1903.09269
  5. ^ a b H. Bonet et al. (CONUS 협업): "CONUS 실험의 완전 간섭성 체제에서 탄성 중성미자 핵 산란에 대한 제약", 물리.개정판 126, 041804 (2021), doi:10.1103/PhysRevLett.126.041804
  6. ^ a b c H. Bonet 등:"CONUS 실험용 대형 서브keV 민감 게르마늄 검출기", https://arxiv.org/abs/2010.11241
  7. ^ F. P. An 등:"다야만의 원자로 안티뉴트리노프룩스 및 스펙트럼의 개선된 측정", Chin.Phys. C 41013002 (2017), doi:10.1088/1674-1137/41/1/013002
  8. ^ A.C. 헤이스와 P.보겔: "중성미자 스펙트럼 반응", 앤 누클 목사.Part. Sci. 66, 219-244 (2016), doi:10.1146/anurev-nucl-102115-044826
  9. ^ A.G. Beda 등:"GEMA 실험에서 중성미자 자기 모멘트 측정의 첫 번째 결과", doi:10.1134/s1063778807110063
  10. ^ a b J. 린드하드, M. 샤프, H.E.Schiött: "범위 개념과 중이온 범위(원자 충돌에 관한 메모, II)", Kgl.단스케 비덴스카브.셀스카브매트, 피스중년 33일, 14일
  11. ^ G. 호이서 등: "GIOVE - 얕은 깊이에서 고감도 게르마늄 스펙트럼 분석을 위한 새로운 검출기 설정", Eur.Phys. J. C 75, 531 (2015), doi:10.1140/epjc/s10052-015-3704-2
  12. ^ H-T. 얀카: "중성미자 구동 폭발" arXiv:1702.08825
  13. ^ M. Lindner, W. Rodejohann, X. X. X. Xu: "코히런트 중성미자-핵 산란 및 새로운 중성미자 상호작용", Journal of High Energy Physics(JHEP), 2017.03. DOI:10.1007/J.HEP03 (2017) 097, arXiv: 1612.04150
  14. ^ A. 번스타인 외:"콜로키움:중성미자 검출기는 핵안보용 도구" 개정판 Mod.물리 92, 011003 (2020), doi:10.1103/RevModPhys.92.011003

좌표:53°51°03°N 9°20′45″e/53.850731°N 9.345844°E/ 53.850731; 9.345844