Forschung: Double Chooz

Die Suche nach dem dritten Mischungswinkel der Neutrinos

Abbildung 1: Reaktorgelände und Position der Detektoren.

Im Double-Chooz-Experiment wird die besondere Eigenart von Neutrinos untersucht, sich von einer Sorte in eine andere umzuwandeln. Das Experiment wird im Rahmenn einer internationalen Kollaboration in Frankreich an einem Kernreaktor betrieben, in dem Antineutrinos in Kernprozessen in großer Zahl entstehen. Zur Bestimmung der Umwandlungswahrscheinlichkeit werden zwei quasi identische Detektoren in unterschiedlichen Entfernungen zum Reaktor aufgebaut (0.4 km und 1.05 km). Da Neutrinos eine sehr geringe Reaktionswahrscheinlichkeit haben, muss mehrere Jahre gemessen werden, um genügend Neutrinos nachzuweisen und die kleine Umwandlungswahrscheinlichkeit mit hoher Genauigkeit zu bestimmen.

Neutrinos

Neutrinos sind Elementarteilchen, die in drei verschiedenen Sorten auftreteten: Elektronneutrino, Myonneutrino und Tauneutrino. Zu jedem Neutrino gibt es ein Antineutrino. Experimentell wurden in den letzten Jahren große Fortschritte erzielt: Mittlerweile weiß man, dass Neutrinos sich ineinander umwandeln können. Um die Wahrscheinlichkeiten für die Umwandlungen zu beschreiben, benötigt man unter anderem die so genannten Mischungswinkel. Zwei der drei Mischungswinkel sind in der Vergangenheit bereits experimentell bestimmt worden. Der dritte (θ₁₃) wird derzeit u.a. im Double-Chooz-Experiment bestimmt. Das Ergebnis ist wichtiger Schritt zum vollständigeren Verständnis der Neutrinos und der zugrundeliegenden theoretischen Modelle. Double Chooz ist auch ein Schlüsselexperiment für zukünftige Experimente mit Neutrinostrahlen zur Suche nach leptonischer CP-Verletzung, da deren Sensitivität stark vom Wert des dritten Mischungswinkels abhängt.

Konzept des Double-Chooz-Experiments

Abbildung 2: Überlebenswahrscheinlichkeit (= 1 minus Umwandlungswahrscheinlichkeit) von Antielektronneutrinos unter der Annahme, dass der Wert des gesuchten Mischungswinkels 10 Grad beträgt.

Der radioaktive Zerfall von Spaltprodukten im Kernreaktor liefert als Nebenprodukt Antielektronneutrinos, die in alle Richtungen fliegen. Einer von zwei Detektoren wird relativ nahe am Reaktor aufgestellt. Die Antineutrinos haben bis zum nahen Detektor noch nicht die Möglichkeit, sich in eine andere Sorte umzuwandeln. Der zweite Detektor ist dagegen in einem größeren Abstand platziert, in dem Umwandlungen wahrscheinlicher werden. Die Detektoren können ausschließlich die im Reaktor erzeugten Antielektronneutrinos messen. Misst man also im fernen Detektor weniger Neutrinos als durch die Abstandsverdünnung erwartet, kann man davon ausgehen, dass die Antielektronneutrinos sich teilweise in eine andere Sorte umgewandelt haben. Aus der Anzahl der Neutrinoereignisse im fernen Detektor im Vergleich zum nahen Detektor schließt man darauf, wie groß die Umwandlungswahrscheinlichkeit ist.

Detektorprinzip

Abbildung 3: Schematischer Aufbau der Double-Chooz-Detektoren.

Der Detektor besteht aus verschiedenen Teilen, die spezielle Aufgaben erfüllen. Im Innersten des Detektors sollen die Neutrinoreaktionen in einem Flüssigszintillator nachgewiesen werden. Dabei trifft ein Neutrino auf ein Proton und es entstehen ein Neutron und ein Positron (das Antiteilchen des Elektrons).

Beide Reaktionsprodukte werden detektiert, um ein klar definiertes Neutrinosignal zu erhalten: Das Positron zerstrahlt zusammen mit einem Elektron aus der Umgebung und erzeugt damit zwei hochenergetische Photonen. Um das Neutron einzufangen, enthält der Szintillator Gadolinium (Gd). Dabei entstehen ebenfalls hochenergetische Photonen, die zeitlich etwas verzögert zum Positron-Signal auftreten. Im Flüssigszintillator der inneren zwei Volumina des Detektors wird die Energie der Photonen schrittweise umgewandelt, bis man am Ende sichtbares Licht erhält. Dieses Licht wird mithilfe von Photovervielfachern detektiert. Photovervielfacher sind Geräte, die einzelne Photonen im sichtbaren Bereich in ein elektrisches Signal umwandeln können.

Der äußere Teil des Detektors dient zur Abschirmung von radioaktiver Strahlung aus der Umgebung. Das vierte Volumen wird zur aktiven Untergrundunterdrückung verwendet. Vor allem kosmische Myonen, die die Messung stören können, sollen in diesem Teil des Detektors erkannt werden.

Ergebnisse

Der ferne Detektor des Double Chooz Experiments wurde Ende 2010 gefüllt. Erste Ergebnisse basierend auf den Messungen vom fernen Detektor allein wurden dann im November 2011 publiziert. Zum ersten Mal gab ein Reaktoneutrinoexperiment einen Hinweis auf das Verschwinden von Elektronantineutrinos bei kurzen Weglängen (im 1 km Bereich), die auf Neutrinooszillationen und einen Wert des Neutrinomischungswinkels θ₁₃ hindeuten, der ungleich Null ist. Mit dem Start des zweiten Detektors zu Beginn des Jahres 2015 konnte eine wesentliche Verbesserung des Ergebnisses erzielt werden. Die aktualisierte Analyse schließt mit einer Sicherheit von 5 Standardabweichungen die Nichtexistenz von Neutrinooszillationen aus. In der Analyse werden Rate und Form des Neutrinospektrums ausgenutzt.

Abbildung 4: Verhältnis zwischen gemessenen Energiespektrum (data points) von Nah- und Ferndetektor im Vergleich zur Erwartung ohne Oszillationen (blau gepunktete Kurve) und "best-fit" (rote Kurve).

Verschiedene Überprüfungen des Analyse wurden durchgeführt. Hierbei wurden auch Neutrinos untersucht deren produzierte Neutronen nach dem inversen Betazerfall nicht am Gadolinium sondern an Wasserstoff im Szintillator eingefangen werden. Zwar ist in diesem Fall die Untergrundrate aufgrund der niedrigeren Energie des verzögerten Signals deutlich höher, aber dafür ist die Ereignisrate dieser statistisch unabhängigen Probe um etwa einen Faktor 2 höher. Das Ergebnis dieser Analyse ist in sehr guter Übereinstimmung mit dem Wert der Gd-Analyse. Die Kombination aus den beiden Analysen ergibt für sin²(2θ₁₃) = 0.119+-0.016. Dieser Wert ist 2,2 Standardabweichungen höher als der der vergleichbaren Reaktorexperimente in China (Daya Bay) und Südkorea (RENO).

Abbildung 5: Kombiniertes Ergebnis der sogenanten "reactor rate modulation" Analyse.

Darüberhinaus wurde eine unabhängige Analyse durchgeführt die nur von der gemessenen Neutrinorate abhängt. Hier werden beobachtete und erwartete (ohne Oszillation) Neutrinorate für unterschiedliche Reaktorleistungen und Konfigurationen (z.B. beide Reaktoren an, ein Reaktor abgeschaltet oder beide abgeschaltet) gegeneinander aufgetragen. Dann können die Datenpunkte mit einem linearen Model gefittet werden, das durch θ₁₃ und die Untergrundrate parametrisiert wird. Der Vorteil von diesem Ansatz ist, dass keine Annahmen über das Untergrundmodel gemacht werden müssen. Der gesamte Untergrund wird direkt gemessen während beide Reaktoren abgeschaltet sind und dann aus dem Fit bestimmt. Auch diese Analyse wurde für die beiden Fälle Neutroneinfang an Gd und an Wasserstoff durchgeführt und ein Wert für sin²(2θ₁₃) von 0.099+-0.021 wurde gefunden. Die gute Übereinstimmung mit den Ergebnissen der anderen Analysen demonstriert, dass die Antineutrino Analyse in Double Chooz robust und stabil ist.

Die Unsicherheiten der präsentierten Ergebnisse stammen in erster Linie aus der Anzahl der Protonen des Szintillators. Eine eindringliche Untersuchung diese Anzahl ist während des geplanten Abbaus von Double Chooz in 2018 vorgesehen.

Double Chooz und das MPIK

Das MPIK ist einer der Initiatoren des Experiments. Es wurden Machbarkeitsstudien durchgeführt, ein neuartiger gadoliniumbeladener Flüssigszintillator entwickelt und produziert sowie der unbeladene Szintillator optimiert. Am MPIK wurde des weiteren ein großer Teil der Photovervielfacher vermessen und zum Einbau im Experiment vorbereitet. Auch im Bereich der Datenanalyse und der Simulation ist unsere Gruppe am MPIK an entscheidenden Stellen involviert.

Die Flüssigszintillatoren bestehen aus organischen Verbindungen. Die Hauptschwierigkeit bei der Herstellung eines Gadoliniumszintillators besteht darin, eine in einer organischen Flüssigkeit lösliche Form von Gadolinium zu finden. Dies gelingt mit einer Komplexverbindung mit speziellen Beta-Diketonen, deren Synthese und Reinigung am MPIK entwickelt wurde. Außerdem müssen verschiedene Anforderungen an den Szintillator berücksichtigt werden: Stabilität über mehrere Jahre, Kompatibilität mit den umgebenden Materialien, radiochemische Reinheit und geeignete optische Eigenschaften. Der Szintillator soll möglichst viel sichtbares Licht pro Ereignis erzeugen und gleichzeitig transparent für dieses Licht sein, damit möglichst viel die Photovervielfacher erreicht. Diese und weitere optische Eigenschaften wurden analysiert und über die Festlegung der chemischen Zusammensetzung optimiert.

Abbildung 6: Flüssigszintillatortanks und Kristalle des Gadoliniumkomplexes.

Abbildung 7: Teststand für 30 Photovervielfacher im lichtdichten Faradaykäfig.

Das vom Szintillator emittierte Licht wird von 400 Photovervielfachern je Detektor nachgewiesen. Um die Energie eines Neutrinoereignisses genau zu rekonstruieren, müssen die Photovervielfacher präzise kalibriert werden. Dafür wurde am MPIK in enger Zusammenarbeit mit japanischen Wissenschaftlern jeder einzelne der 800 Photovervielfacher auf seine Merkmale, wie z. B. Quanteneffizienz, Signalqualität und Zeitauflösung, untersucht. Um eine große Anzahl effizient testen zu können, wurde am MPIK ein PMT-Teststand in einem Faraday-Käfig aufgebaut. In diesem lichtdichten Raum werden 30 Photovervielfacher in einer Matrix angebracht und können so auf einmal vergleichend getestet werden. Dafür wurden verschiedene gepulste Lichtquellen, wie Laser und LEDs, und ein Datenaufnahmesystem aufgebaut.

Im Bereich der Simulation liegt der Fokus unserer Gruppe auf der optischen Modellierung der Lichtproduktion und Lichtausbreitung in unserem Detektor. Die Detektorsimulation basiert auf Geant4 und enthällt Parameter, die spezifisch für unsere Flüssigszintillatoren sind. Diese Paramter wurden in unseren Laboren gemessen. Die wichtigsten Parameter sind dabei Lichtausbeute, Abschwächlängen, Emissionsspektren, Reemissionswahrscheinlichkeiten, Brechungsindizes und "Quenching" Parameter. In einem letzten Schritt wurden diese Parameter so abgestimmt, damit sie mit den gemessenen Daten im Experiment im Einklang stehen, speziell mit den Kalibrationsdaten (es werden Neutron- und Gammaquellen von unterschiedlicher Energie eingesetzt).

Was die Analyseaktivitäten am MPIK angeht, liegen die Schwerpunkte in den Bereichen der Energieskala und der Nachweiseffizienz. Speziell untersuchten wir bisher die Positionsabhängikeit des Detektorsignals sowie Nichtlineraritäten und die Stabilität der Energieskala. Darüberhinaus wurden Randeffekte, die die Effizienz des Neutroneionfangs am Gadolinium Nahe der Acrylbehälter beeinflussen, studiert und die Effizienzen im Allgemeinen anhand von Kalibrationsdaten untersucht. Weiterhin kombinierten wir in unserer Abteilung die Ergebnisse des Double Chooz Experiments in einer globalen Analyse mit denen anderer Neutrinoexperimente.

Weitere Informationen finden sich auf der Offizielle Double Chooz Website .

References

[1] Double Chooz Collaboration, Phys.Rev.Lett.108, 131801 (2012)
[2] Double Chooz Collaboration, Phys.Rev.D 86, 052008 (2012)
[3] Double Chooz Collaboration, Phys.Rev.D 86, 112009 (2012)
[4] Double Chooz Collaboration, Phys.Rev.D 87, 011102(R) (2013)
[5] Double Chooz Collaboration, Phys.Lett.B 723, 66-70 (2013)
[6] Double Chooz Collaboration, Phys.Lett. B735, 51-56 (2014)
[7] Double Chooz Collaboration, Nucl.Instrum.Meth. A764, 330-339 (2014)
[8] Double Chooz Collaboration, JHEP 1410, 086 (2014); JHEP 1502, 074 (2015)
[9] Double Chooz Collaboration, JHEP 1410, 32 (2014)
[10] Double Chooz Collaboration, JHEP 1601, 163 (2016)
[11] Double Chooz Collaboration, Phys.Rev. C93, 054608 (2016)
[12] Double Chooz Collaboration, JINST 11, P08001 (2016)
[13] C.Bauer et al., JINST 6, P06008 (2011)
[14] C.Aberle et al., JINST 6, P11006 (2011)
[15] C.Aberle et al., Chem.Phys.Lett. 516, 257-262 (2011)
[16] C.Aberle et al., JINST 7, P06008 (2012)
[17] F.Kaether and C.Langbrandtner, JINST 7, P09002 (2012)
[18] J.Haser et al., JINST 8, P04029 (2013)

Kontaktpersonen:

• Prof. Dr. Dr.h.c. Manfred Lindner :
  Tel:06221 516800
  E-Mail: manfred.lindner@mpi-hd.mpg.de
• Dr. Christian Buck
  Tel: 06221 516664
  E-Mail: christian.buck@mpi-hd.mpg.de