雙紹實驗（英語：Double Chooz Experiment，簡稱 Double Chooz）是於法國大東部大區阿登省紹進行的短基線中微子震盪實驗，旨在測量 PMNS 矩陣中的 theta_13 混合角。 該實驗利用釋放出的中微子進行觀測。在距離反應堆約 400 米和 1050 米處分別設有一箇中微子觀測器。其中，後者的觀測器為本實驗前身中使用的觀測器，前者為 2014 年 9 月新增的觀測器。2015 年初，新增的觀測器也投入觀測活動中，與原有的觀測器共同進行資料收集。 實驗設施 雙紹實驗利用 2 個添加了釓的液體閃爍體探測器對反中微子的中微子振盪現象進行觀測。這 2 個探測器被設定在功率為 425 GW 的周邊。其中，設定在距反應堆 400 米和 1050 米的探測器分別被稱為 前置探測器 和 後置探測器。後置觀測器為雙紹實驗的前身中使用的觀測器，而前置觀測器則為 2014 年 9 月新增的觀測器。2015 年初，前置觀測器也進入了觀測狀態，與後置觀測器共同進行資料收集。此外，除了與中微子源的距離不同外，為了遮蔽來源於宇宙的 μ 子，後置觀測器還被設定在具有 300 米水當量遮蔽能力的山丘內部。 中微子靶和 γ 探測器 探測器的最內側為直徑 230 cm、高 2458 cm、厚 08 cm 的丙烯酸系樹脂制容器。在該容器內裝有 1 萬升的液體閃爍體，其中還添加了濃度為 1 gL 的釓，使得其成為中微子探測效率較高的中微子靶。其外側則是厚約 55 cm 的 γ 探測器。γ 探測器由未加入釓的液體閃爍體構成。與中微子靶相同的是，γ 探測器的外殼也採用了丙烯酸系樹脂，厚約 12 cm。這種樹脂材質可以讓波長 400 nm 以上的光子透進容器內部。 緩衝容器和光電倍增管 緩衝容器由寬 5522 cm、高 5680 cm、厚 03 cm 的 304L 不鏽鋼製成。在緩衝容器內部，未被中微子靶和 γ 探測器佔據的剩餘空間被充填了並非液體閃爍體的礦物油。在緩衝容器的內面共設有 390 個 10 英寸光電倍增管。設定緩衝容器的主要目的為對光電倍增管內部雜質和周圍岩石的放射能進行遮蔽。緩衝容器與中微子靶、γ 探測器被統稱為 內部探測器。 遮蔽訊號對策 為了遮蔽 μ 子、快中子、γ 射線等非目標訊號，雙紹實驗採取了多種硬體上的對策。 首先，雙紹實驗在緩衝容器外側設定了厚度為 50 cm 的礦物油閃爍體。其次，78 個 8 英寸光電倍增管被佈置在緩衝容器的上部、下部和側面。這兩種對策所採用的裝置都位於實驗裝置相對靠內的位置，因此被稱為內部遮蔽層。內部遮蔽層主要可以遮蔽外界的 μ 子和快中子。在內部遮蔽層外側還設有厚度為 15 cm 的鋼殼，可以對外部 γ 射線作進一步遮蔽。此外，在探測器的上部還設有由 5 cm1 cm 塑膠閃爍體條紋組成的外部遮蔽層。 資料收集 來自內部探測器和內部遮蔽層的訊號透過取樣率為 500 MHz 的 8 位進行記錄。探測器的觸發閾值被設定為 350 keV，遠低於理論預測的反電中微子的 102 MeV。 原理與目的 觀測和訊號篩選 來源於反應堆的中微子可透過逆 β 衰變進行觀測： bar nu_e p to e n 其中，bar nu_e 為反電中微子，p 為質子，e 為正電子，n 為中子。需要注意的是，在液體閃爍體中，上述反應釋放出的正電子會立即形成一個快訊號。而同一個過程中釋放出的中子則需經過約 200 微秒減慢速度後才能被原子核俘獲。俘獲後會釋放出光子而形成一個慢訊號。 由於實驗中存在噪音，因此並非所有滿足了探測器觸發條件的訊號都被認為是中微子訊號。對此，雙紹實驗採用瞭如下訊號篩選方法： 快訊號的能量位於 05 至 20 MeV 之間； 慢訊號的能量位於 4 至 10 MeV 之間； 快慢訊號的時間差位於 05 至 150 μs 之間； 快慢訊號的頂點距離差不足 100 cm； 在一次事件的快訊號發生前 200 微秒至後 600 微秒之內不存在其他事件的訊號。 在雙紹實驗中，雖然快訊號的檢測效率幾乎達到了 100，但由於釓濃度和中子散射模型的問題，檢測慢訊號並不容易。 中微子混合 由於中微子質量極小，因此可以以極快的速度運動。然而，在運動過程中，中微子可轉化成不同的味（e mu tau）。這種現象被稱之為中微子振盪。中微子振盪可被龐蒂科夫 牧 中川 坂田矩陣（PMNS 矩陣）解釋： begin bmatrix U_e 1 U_e 2 U_e 3 U_mu 1 U_mu 2 U_mu 3 U_tau 1 U_tau 2 U_tau 3 end bmatrix begin bmatrix costheta_12 costheta_13 sintheta_12 costheta_13 sintheta_13 eidelta sintheta_12 costheta_23 costheta_12 sintheta_23 sintheta_13 ei delta costheta_12 costheta_23 sintheta_12 sintheta_23 sintheta_13 ei delta sintheta_23 costheta_13 sintheta_12 sintheta_23 costheta_12 costheta_23 sintheta_13 ei delta costheta_12 sintheta_23 sintheta_12 costheta_23 sintheta_13 ei delta costheta_23 costheta_13end bmatrix 上述 PMNS 矩陣僅由 4 個引數構成，即 3 個 theta_12 theta_23 theta_13 和 1 個相位 delta。其中，1990 年代，雙紹實驗的前身曾對混合角之一的 theta_13 限制在以下範圍： sin2 2theta_13 02 在此後的十數年間，該結果為 theta_13 的限制最嚴苛的範圍。雙紹實驗的目的便是在該實驗結果的基礎上在 003 sin2 2theta_13 02 的範圍內進一步對 theta_13 的值進行限制。 混合角的測定可透過對核電站反應堆釋放出的反電中微子進行觀測從而實現。如果不考慮中微子振盪現象，每天在雙紹實驗的所在地可觀測到的反應堆反電中微子約有 50 個。然而，如果考慮第一種和第三種中微子態之間的中微子震盪，則在觀測到的反中微子中，理論上的反電中微子的比例為 P 1 sin22theta_13 sin2 left frac 127Delta m2_31 LE_nurightquad mathrm in natural units 其中，L 為中微子移動距離，E_nu 為反電中微子的能量，Delta m2_31 為質量差。根據上述式子，便可以測出混合角 theta_13 的值。 實驗結果 混合角 2011 年 11 月，雙紹實驗組發表了關於 theta_13 的值可能並非零值的結論。到了 2012 年，基於對 228 日觀測結果的分析，雙紹實驗組宣佈在 29 σ 的置信度下中微子不發生振盪的假說被排除，並提出了初步的測量結果 ： sin2 2theta_13 0109 pm 0030 mathrm stat pm 0025 mathrm syst 2013 年，雙紹實驗組更新了 theta_13 的範圍： sin2 2theta_13 0097pm 0034 mathrm stat pm 0034 mathrm syst 在減少了背景噪聲和系統性的不確定性後，雙紹實驗組利用 46790 天的資料於 2014 年 6 月進一步更新了 theta_13 測定值： sin2 2theta_13 00900032_0029 此外，2014 年 7 月，雙紹實驗組利用核電站停止運作時的觀測資料，發表了噪音水平與先前研究獨立的 theta_13 測定值： sin2 2theta_13 0102 pm 0028 mathrm stat pm 0033 mathrm syst 其餘成果 透過延遲正電子對的湮滅並扭曲閃爍訊號，雙紹實驗識別出了探測器內形成的正電子素事件，且測得正電子素的壽命為。 此外，雙紹實驗還對的引數給出了限制。這是世界上首個利用反應堆中微子源測試洛倫茲不變性的實驗。 參見 同時期進行測定的主要實驗 大亞灣核反應堆中微子實驗 T2K 實驗 註釋 參考來源 Category 中微子實驗 Category 阿登省