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{{NoteTA|G1=Physics}}

[[Image:logo DChooz.jpg|thumb|双绍斯实验LOGO]]

'''双绍实验'''（英语：Double Chooz Experiment，简称'''Double Chooz'''）是于[[法国]][[大东部大区]][[阿登省]][[绍]]进行的短基线[[中微子震荡]]实验，旨在测量[[PMNS矩阵]]中的<math>\theta_{13}</math>混合角。

该实验利用{{link-en|绍核电站|Chooz Nuclear Power Plant}}释放出的[[中微子]]进行观测。在距离反应堆约400米和1050米处分别设有一个中微子观测器。其中，后者的观测器为本实验前身{{link-en|绍实验|Chooz (experiment)}}中使用的观测器，前者为2014年9月新增的观测器。2015年初，新增的观测器也投入观测活动中，与原有的观测器共同进行数据收集<ref name=history>{{cite journal|author1=Fumihiko Suekane |author2=Thiago Junqueira de Castro Bezerra |year=2016 |title=Double Chooz and a history of reactor <math>\theta_{13}</math> experiments |journal=Nuclear Physics B |volume=908 |pages=74-93 |language=en |doi=10.1016/j.nuclphysb.2016.04.008 }}</ref>。

== 实验设施 ==
双绍实验利用2个添加了[[钆]]的[[闪烁体探测器|液体闪烁体探测器]]对[[反中微子]]的[[中微子振荡|中微子振荡现象]]进行观测<ref name="MikSin2000">{{Cite journal |arxiv=hep-ex/9908047 |doi=10.1134/1.855739 |last1=L |first1=Mikaelyan and |last2=V |first2=Sinev |title=Neutrino Oscillations at Reactors: What Is Next? |journal=Physics of Atomic Nuclei |volume=63 |issue=6 |page=1002 |year=2000|bibcode=2000PAN....63.1002M |language=en }}</ref>。这2个探测器被设置在功率为4.25 GW的{{link-en|绍核电站|Chooz Nuclear Power Plant}}周边。其中，设置在距反应堆400米和1050米的探测器分别被称为“前置探测器”和“后置探测器”。后置观测器为双绍实验的前身{{link-en|绍实验|Chooz (experiment)}}中使用的观测器，而前置观测器则为2014年9月新增的观测器。2015年初，前置观测器也进入了观测状态，与后置观测器共同进行数据收集<ref name=history/>。此外，除了与中微子源的距离不同外，为了遮蔽来源于宇宙的[[μ子]]，后置观测器还被设置在具有300米水当量遮蔽能力的山丘内部<ref name="arxiv2">{{Cite journal|last=Ardellier |first=F. |display-authors=etal |year=2006 |title=Double Chooz: A Search for the Neutrino Mixing Angle ''&theta;''<sub>13</sub> |arxiv=hep-ex/0606025|bibcode=2006hep.ex....6025G |language=en }}</ref><ref name="arxiv3">{{Cite journal |last1=Abe |first1=Y. |display-authors=etal. |others=Double Chooz Collaboration |year=2014 |title=Improved measurements of the neutrino mixing angle <math>\theta_{13}</math> with the Double Chooz detector |journal=Journal of High Energy Physics |volume=2014 |issue=10 |page=86 |arxiv= 1406.7763 |bibcode= 2014JHEP...10..086A |doi=10.1007/JHEP10(2014)086 |language=en }}</ref>。

=== 中微子靶和γ探测器 ===
探测器的最内侧为直径230 cm、高245.8 cm、厚0.8 cm的[[丙烯酸系樹脂]]制容器。在该容器内装有1万升的液体闪烁体，其中还添加了浓度为1 g/L的[[钆]]，使得其成为中微子探测效率较高的中微子靶。其外侧则是厚约55 cm的γ探测器。γ探测器由未加入钆的液体闪烁体构成。与中微子靶相同的是，γ探测器的外壳也采用了[[丙烯酸系樹脂]]，厚约12 cm。这种树脂材质可以让波长400 nm以上的光子透进容器内部<ref name="arxiv2" /><ref name="arxiv3" />。

=== 缓冲容器和光电倍增管 ===
缓冲容器由宽552.2 cm、高568.0 cm、厚0.3 cm的[[不锈钢|304L不锈钢]]制成。在缓冲容器内部，未被中微子靶和γ探测器占据的剩余空间被充填了并非液体闪烁体的[[矿物油]]。在缓冲容器的内面共设有390个10英寸[[光电倍增管]]。设置缓冲容器的主要目的为对光电倍增管内部杂质和周围岩石的放射能进行遮蔽。缓冲容器与中微子靶、γ探测器被统称为“内部探测器”<ref name="arxiv2" /><ref name="arxiv3" />。

=== 屏蔽信号对策 ===
为了屏蔽[[μ子]]、[[快中子]]、[[γ射线]]等非目标信号，双绍实验采取了多种硬件上的对策<ref name="arxiv2" /><ref name="arxiv3" />。

首先，双绍实验在缓冲容器外侧设置了厚度为50 cm的[[闪烁体探测器|矿物油闪烁体]]。其次，78个8英寸[[光电倍增管]]被布置在缓冲容器的上部、下部和侧面。这两种对策所采用的装置都位于实验装置相对靠内的位置，因此被称为内部屏蔽层。内部屏蔽层主要可以屏蔽外界的[[μ子]]和[[快中子]]。在内部屏蔽层外侧还设有厚度为15 cm的钢壳，可以对外部[[γ射线]]作进一步屏蔽。此外，在探测器的上部还设有由5 cm×1 cm塑料闪烁体条纹组成的外部屏蔽层<ref name="arxiv2" /><ref name="arxiv3" />。

=== 数据收集 ===
来自内部探测器和内部屏蔽层的信号通过采样率为500 MHz的8位{{link-en|闪存模拟数字转换器|Flash ADC}}进行记录。探测器的触发阈值被设定为350 [[电子伏特|keV]]，远低于理论预测的[[反电中微子]]的1.02 [[电子伏特|MeV]]<ref name="arxiv2" /><ref name="arxiv3" />。

== 原理与目的 ==
=== 观测和信号筛选 ===
来源于[[反应堆]]的[[中微子]]可通过[[逆β衰变]]进行观测：

:<math>\bar{\nu}_e + p \to e^+ + n </math>

其中，<math>\bar{\nu}_e</math>为[[反电中微子]]，<math>p</math>为[[质子]]，<math>e^+</math>为[[正电子]]，<math>n</math>为[[中子]]。需要注意的是，在[[闪烁体探测器|液体闪烁体]]中，上述反应释放出的正电子会立即形成一个快信号。而同一个过程中释放出的中子则需经过约200微秒减慢速度后才能被原子核俘获。俘获后会释放出[[光子]]而形成一个慢信号<ref>{{cite journal|author=占亮 |title=反应堆中微子 |journal=中微子研究与进展 |volume=27 |issue=6 |pages=22-27 |year=2018 |language=zh-hans}}</ref>。

由于实验中存在噪音，因此并非所有满足了探测器触发条件的信号都被认为是中微子信号。对此，双绍实验采用了如下信号筛选方法：

* 快信号的能量位于0.5至20 [[电子伏特|MeV]]之间；
* 慢信号的能量位于4至10 MeV之间；
* 快慢信号的时间差位于0.5至150 [[微秒|μs]]之间；
* 快慢信号的顶点距离差不足100 cm；
* 在一次事件的快信号发生前200微秒至后600微秒之内不存在其他事件的信号。

在双绍实验中，虽然快信号的检测效率几乎达到了100%，但由于[[钆]]浓度和中子散射模型的问题，检测慢信号并不容易<ref name="arxiv3" />。

=== 中微子混合 ===
{{main|庞蒂科夫-牧-中川-坂田矩阵}}
由于[[中微子]]质量极小，因此可以以极快的速度运动。然而，在运动过程中，中微子可转化成不同的[[味 (粒子物理学)|味]]（<math>e, \mu, \tau</math>）。这种现象被称之为[[中微子振荡]]。中微子振荡可被[[庞蒂科夫-牧-中川-坂田矩阵]]（PMNS矩阵）解释：

:<math>\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}
\cos\theta_{12} \cos\theta_{13} & \sin\theta_{12} \cos\theta_{13} & \sin\theta_{13} e^{-i\delta} \\
- \sin\theta_{12} \cos\theta_{23} - \cos\theta_{12} \sin\theta_{23} \sin\theta_{13} e^{i \delta} & \cos\theta_{12} \cos\theta_{23} - \sin\theta_{12} \sin\theta_{23} \sin\theta_{13} e^{i \delta} & \sin\theta_{23} \cos\theta_{13}\\
\sin\theta_{12} \sin\theta_{23} - \cos\theta_{12} \cos\theta_{23} \sin\theta_{13} e^{i \delta} & - \cos\theta_{12} \sin\theta_{23} - \sin\theta_{12} \cos\theta_{23} \sin\theta_{13} e^{i \delta} & \cos\theta_{23} \cos\theta_{13}\end{bmatrix} </math>

上述PMNS矩阵仅由4个参数构成，即3个{{link-en|混合角|mixing angle}}<math>\theta_{12}, \theta_{23}, \theta_{13}</math>和1个[[相位]]<math>\delta</math>。其中，1990年代，双绍实验的前身{{link-en|绍实验|Chooz (experiment)}}曾对混合角之一的<math> \theta_{13} </math>限制在以下范围：

:<math> \sin^2 (2\theta_{13}) < 0.2 </math>

在此后的十数年间，该结果为<math>\theta_{13}</math>的限制最严苛的范围。双绍实验的目的便是在该实验结果的基础上在<math> 0.03 < \sin^2 (2\theta_{13}) < 0.2 </math>的范围内进一步对<math>\theta_{13}</math>的值进行限制。

混合角的测定可通过对[[核电站]][[反应堆]]释放出的[[反电中微子]]进行观测从而实现。如果不考虑[[中微子振荡|中微子振荡现象]]，每天在双绍实验的所在地可观测到的反应堆反电中微子约有50个。然而，如果考虑第一种和第三种中微子态之间的中微子震荡{{NoteTag|由于第二种和第三种中微子态之间的质量差<math>\Delta m^2_{21}</math>与第一种和第三种中微子态之间的质量差<math>\Delta m^2_{31}</math>相比小得多，因此可被忽略。}}，则在观测到的反中微子中，理论上的反电中微子的比例为

:<math>P= 1 - \sin^{2}(2\theta_{13})\, \sin^{2} \left(\frac{1.27\Delta m^2_{31} L}{E_{\nu}}\right)\quad \mathrm{(in\; natural\; units)}</math>

其中，<math>L</math>为中微子移动距离，<math>E_{\nu}</math>为反电中微子的能量，<math>\Delta m^2_{31}</math>为质量差。根据上述式子，便可以测出混合角<math>\theta_{13}</math>的值<ref name="arxiv3" />。

== 实验结果 ==
=== 混合角 ===
2011年11月，双绍实验组发表了关于<math>\theta_{13}</math>的值可能并非零值的结论<ref>{{Cite web|title=First Results from the Double Chooz experiment |url=https://www.icrr.u-tokyo.ac.jp/en/event_researcher_en/first-results-from-the-double-chooz-experiment/ |publisher=[[东京大学宇宙射线研究所]] |language=en |date=2011-11-25 |accessdate=2024-09-06 }}</ref><ref name="DC2011">{{Cite journal |arxiv=1112.6353 |doi=10.1103/PhysRevLett.108.131801 |pmid=22540693 |last1=Y |first1=Abe |display-authors=etal |title=Indication for the disappearance of reactor electron antineutrinos in the Double Chooz experiment |others=Double Chooz collaboration |journal=Physical Review Letters |volume=108 |issue=19 |page=131801 |year=2012|bibcode=2012PhRvL.108m1801A |language=en}}</ref>。到了2012年，基于对228日观测结果的分析，双绍实验组宣布在2.9 [[标准差|σ]]的[[置信度]]下中微子不发生振荡的假说被排除，并提出了初步的测量结果<ref>
{{Cite journal |last1=Abe |first1=Y. |display-authors=etal |others=Double Chooz Collaboration |year=2012 |title=Reactor <math>\overline{\nu}_e</math> disappearance in the Double Chooz experiment |journal=Physical Review D |volume=86 |issue=5 |page=052008 |arxiv=1207.6632 |bibcode=2012PhRvD..86e2008A |doi=10.1103/PhysRevD.86.052008 |language=en}}</ref>：

:<math> \sin^2 (2\theta_{13}) = 0.109 \pm 0.030 \, \mathrm{(stat)} \pm 0.025\, \mathrm{(syst)}. </math>

2013年，双绍实验组更新了<math>\theta_{13}</math>的范围<ref>{{Cite journal |last1=Abe |first1=Y. |display-authors=etal |others=Double Chooz Collaboration |year=2013 |title=First Measurement of <math>\theta_{13}</math> from Delayed Neutron Capture on Hydrogen in the Double Chooz Experiment |journal=Physics Letters B |volume=723 |issue=1-3 |pages=66-70 |arxiv=1301.2948 |bibcode=2013PhLB..723...66A |doi=10.1016/j.physletb.2013.04.050 |language=en }}</ref>：

:<math> \sin^2 (2\theta_{13}) = 0.097\pm 0.034 \, \mathrm{(stat)} \pm 0.034\, \mathrm{(syst)}. </math>

在减少了背景噪声和系统性的不确定性后，双绍实验组利用467.90天的数据于2014年6月进一步更新了<math>\theta_{13}</math>测定值<ref name="arxiv3"/>：

:<math> \sin^2 (2\theta_{13}) =  0.090^{+0.032}_{-0.029}. </math>

此外，2014年7月，双绍实验组利用核电站停止运作时的观测数据，发表了噪音水平与先前研究独立的<math>\theta_{13}</math>测定值<ref>{{Cite journal |last1=Abe |first1=Y. |display-authors=etal |others=Double Chooz Collaboration |year=2014 |title=Background-independent measurement of <math>\theta_{13}</math> in Double Chooz |journal=Physics Letters B |volume=735 |issue= |pages=51-56 |arxiv=1401.5981 |bibcode=2014PhLB..735...51A |doi=10.1016/j.physletb.2014.04.045 |language=en }}</ref>：

:<math> \sin^2 (2\theta_{13}) = 0.102 \pm 0.028 \, \mathrm{(stat)} \pm 0.033\, \mathrm{(syst)}. </math>

=== 其余成果 ===
通过延迟[[正电子|正电子对]]的[[湮灭]]并扭曲闪烁信号，双绍实验识别出了探测器内形成的[[正电子素]]事件，且测得正电子素的寿命为{{Val|3.68|0.15|u=ns}}<ref>{{Cite journal |last1=Abe |first1=Y. |display-authors=etal |others=Double Chooz Collaboration |year=2014 |title=Ortho-positronium observation in the Double Chooz experiment |journal=Journal of High Energy Physics |volume=2014 |issue=10 |page=32 |arxiv=1407.6913 |bibcode=2014JHEP...10..032A |doi=10.1007/JHEP10(2014)032 |doi-access=free |hdl=1721.1/92880 |language=en }}</ref>。

此外，双绍实验还对{{link-en|洛伦兹对称性破缺的中微子振荡|Lorentz-violating neutrino oscillations|洛伦兹对称性破缺}}的参数给出了限制。这是世界上首个利用反应堆中微子源测试洛伦兹不变性的实验<ref>{{Cite journal |last1=Abe |first1=Y. |display-authors=etal |others=Double Chooz Collaboration |year=2012 |title=First test of Lorentz violation with a reactor-based antineutrino experiment |journal=Physical Review D |volume=86 |issue=11 |page=112009 |arxiv=1209.5810 |bibcode= 2012PhRvD..86k2009A |doi=10.1103/PhysRevD.86.112009 |hdl=1721.1/76809 |language=en }}</ref>。

== 参见 ==
* {{link-en|绍核电站|Chooz Nuclear Power Plant}}
* {{link-en|绍实验|Chooz (experiment)}}
* 同时期进行{{link-en|混合角|mixing angel}}测定的主要实验
** [[大亚湾核反应堆中微子实验]]
** [[T2K实验]]
** {{link-en|中微子振荡反应堆试验|Reactor Experiment for Neutrino Oscillation}}
** {{link-en|主注入器中微子振荡搜寻实验|MINOS}}

== 注释 ==
{{NoteFoot}}

== 参考来源 ==
{{reflist|30em}}

[[Category:中微子实验]]
[[Category:阿登省]]