Double CHOOZ

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Europäisches Graduiertenkolleg Basel-Graz-Tübingen

Double-CHOOZ
Bestimmung des Θ₁₃-Mischungswinkels

CHOOZ-far Detektor im CHOOZ Untergrundlabor

Mit verschiedenen Experimenten sind vor allem in den letzten zehn Jahren große Fortschritte auf dem Gebiet der Neutrinophysik gemacht worden (→ Nobelpreise 2002). Es gilt mittlerweile als erwiesen, daß Neutrinos massebehaftete Teilchen sind und die verschiedenen Flavorzustände mischen können. Aus den Daten der solaren Experimente ist eine Bestimmung von Θ₁₂ mit hoher Genauigkeit möglich, aus atmosphärischen Daten dagegen der Θ₂₃–Mischungswinkel. Zusammen mit den Quadraten der Massendifferenzen Δm²_sol und Δm²_atm kann die Mischungsmatrix der Neutrinos fast komplett angegeben werden. Allerdings ist der Winkel Θ₁₃, der die Stärke des Übergangs ν_e → ν_τ beschreibt, nur mit der relativ groben Obergrenze &Theta₁₃ < 0.1 aus dem CHOOZ-Experiment bekannt.

Double Chooz Projekt

Seit Ende 2002 arbeiten Gruppen aus mehreren europäischen Ländern (Frankreich, Deutschland und Rußland) ein Konzept aus zur Messung oder Beschränkung des verbliebenen unbestimmten Mischungswinkel &Theta₁₃ in einem Reaktorexperiment: das Double Chooz Projekt.

Im Jahr 2003 wurden verschiedene mögliche Orte für ein Reaktorneutrinoexperiment mit zwei Detektoren begutachtet und drei Stätten in Frankreich als geeignet erachtet: Penly in der Normandie, Cruas in der Ardèche und Chooz in den Ardennen.

Aufgrund der bereits existierenden Infrastruktur (Chooz-I) und der Unterstützung durch das Kraftwerkspersonal der EDF (Electricité De France) bietet Chooz die besten Voraussetzungen für ein Experiment.

Detektorkonzept

Das Double Chooz Projekt wird zwei identische Detektoren mit je etwa 10 bis 20 t Flüssigszintillator als Target betreiben. Da das Neutrinolabor des ersten Chooz-Experiments noch existiert, können Kosten und Bauzeit reduziert werden. In diesem Labor, das etwa 1.05 km von den zwei Reaktorkernen (Druckwasserreaktoren, 8.4 GW thermische Leistung) entfernt ist und sich in einem Tunnel, der von etwa 300 mwe Fels abgeschirmt ist, befindet, soll der «te;far detector»te; (CHOOZ-far) eingerichtet werden. Nach derzeitiger Planung soll CHOOZ-far im Januar 2007 die ersten Neutrinos im regulären Betrieb detektieren.

Zur Reduzierung systematischer Unsicherheiten in den nur schwer zu bestimmenden Daten des Kernreaktors (Anti–&nu_e Fluß und Spektrum), aber auch im Detektor selbst sowie in der Ereignisauswahl, wird ein zweiter Detektor nur etwa 100-200 m entfernt von den Reaktorkernen installiert (CHOOZ-near. Um zumindest eine geringe Abschirmung gegen die kosmische Höhenstrahlung zu erreichen, muß ein künstlicher Berg von einigen zehn Metern aufgeschüttet werden. Nach ersten Diskussionen wurde diese Konstruktion vom Kraftwerksbetreiber genehmigt. Ende 2003 wurde eine Studie für CHOOZ-near durchgeführt, die die Kombination Ort(Entfernung)–Abschirmung–Kosten optimieren soll.

Simulationen haben ergeben, daß ein neues CHOOZ-Experiment nach drei Jahren Meßzeit eine Sensitivität von sin²2Θ₁₃ < 0.03 (90% C.L.) für Δm²_atm = 2.0 ⋅ 10^-3 eV² (neuester best-fit Wert der SuperKamiokande Collaboration) erreichen würde. Nach nur einem Jahr Meßzeit im Zwei-Detektor-Betrieb würde eine Sensitivität von 0.05 erreicht, was eine Verbesserung der CHOOZ-Obergrenze um fast einen Faktor 5 bedeutet. Diese Angaben basieren auf Annahmen, daß der relative Normierungsfehler zwischen CHOOZ-near und -far bei maximal 0.8% liegt und daß der Untergrund in beiden Detektoren weniger als 1% des Antineutrinosignals beträgt. Als Randnotiz bleibt zu bemerken, daß die mittlere baseline zwischen Reaktorkern und CHOOZ-far (1.05 km) für den derzeitigen Wert Δm²_atm = 2.0 ⋅ 10^-3 eV² für Antineutrinos mit wenigen MeV Energie ein wenig zu kurz ist und deshalb das erste Maximum der Oszillation nicht vollständig genutzt werden kann. Mit höherer Statistik kann dies jedoch ausgeglichen werden. Setzt man dagegen Δm²_atm < 1.3 ⋅ 10^-3 eV² (entsprechend nahe an der unteren Grenze des 90%-Vertrauensintervalls), kann man das absolute Potential des Double-CHOOZ Experiments ausschöpfen.


CHOOZ-near: detector + laboratory	CHOOZ-far detector

Der neue CHOOZ-Detektortyp

Das Detektordesign soll voraussichtlich eine Weiterentwicklung des CHOOZ-I Experiments sein. Der target-Tank wird mit 120 cm Radius und 280 cm Höhe, entsprechend einem Volumen von 14 m³, etwa 2.5 mal größer sein als CHOOZ-I. Damit wird es möglich sein, mehr als 40.000 Antineutrinoereignisse zu erhalten, was umgerechnet einer statistischen Unsicherheit von weniger als 0.5% entspricht. Zudem wird die Effizienz höher sein, da die Reaktorauslastung bei etwa 80% liegt, wohingegen sie während CHOOZ-I weitaus niedriger war, da die Inbetriebnahme des Kraftwerks z.T. erst erfolgte.

Durch Minimierung des Untergrundes wird ein Signal/Rauschen-Verhältnis von 100 erreicht werden (CHOOZ-I: 30). Beide Detektoren werden in den wichtigen (inneren) Komponenten identisch aufgebaut, was zur Reduzierung des angesprochenen relativen Normierungsfehlers auf weniger als 0.8% beiträgt.
Aufgrund der örtlichen Gegebenheiten werden die beiden Detektoren unterschiedliche äußere Abschirmungen gegen kosmische Höhenstrahlung besitzen. Die Abschirmung des CHOOZ-near Detektors wird so entwickelt, daß das S/N-Verhältnis von wenigstens 100 erreicht wird. Damit kann sichergestellt werden, daß systematische Fehler weniger als 1% betragen.

Das Detektordesign wurde intensiv in Monte-Carlo-Simulationen überprüft, indem ein von CHOOZ-I abgeleiteter und weiterentwickelter Code verwendet wurde. Im alten Aufbau wurde eine einen Meter dicke Schicht aus Sand mit niedriger Aktivität als Schild gegen äußere Radioaktivität verwendet; dies wird ersetzt durch eine 15 cm starke Stahlabschirmung. Damit kann das Flüssigkeitsvolumen (aktiver Puffer) deutlich erhöht werden.

Vom Zentrum des Detektors gestaltet sich der Aufbau wie folgt:

ein Zylinder mit einem Radius von 120 cm und einer Höhe von 280 cm, gefüllt mit Flüssigszintillator, der mit 0.1% Gd dotiert ist
eine Pufferschicht von 40 cm Flüssigszintillator (undotiert) mit den gleichen optischen Eigenschaften, um die vollständige Positronenenergie zu erhalten und einen möglichst großen Anteil der Neutronenenergie (n-Einfang ⇒ γ-Emission) zu detektieren.
eine Pufferschicht von 95 cm einer Flüssigkeit (z.B. hochreines Wasser), die zufällige Untergrundereignisse aus der Umgebung abschwächen soll.

Die Zylinderform beeinträchtigt die räumliche Rekonstruktion von Signalen nicht. Jeder Detektorparameter wird in Monte-Carlo-Simulationen untersucht um eine Vorstellung der Toleranz zwischen beiden Detektoren zu erhalten. Ziel der erwähnten Anordnung ist es, die Notwendigkeit von cuts in der Analyse zu verringern, wodurch die systematischen Unsicherheiten in Bezug auf die Auswahl von Antineutrinoereignissen detektorunabhängig verringert werden kann.

Durch die nicht szintillierende Pufferschicht wird die Signalrate (je Detektor) gegenüber CHOOZ-I um etwa zwei Größenordnungen reduziert werden. Dadurch kann die Energieschwelle für Positronen auf 500 keV gesenkt werden, was weit unterhalb der physikalischen Schwelle von 1 MeV für den inversen Betazerfall liegt.

Eine möglichst niedrige Schwelle hat drei Vorteile: I) der systematische Fehler aufgrund der Schwelle selbst wird verkleinert, II) der Untergrund unterhalb der Schwelle kann gemessen werden, und III) die beiden Anfangspunkte der Positronenspektren ergeben eine zusätzliche Möglichkeit zur Kalibrierung. Die reduzierte Anzahl von Einzelereignissen erlaubt schwächere cuts auf den Ort, z.B. die Entfernung zur Photomultiplier-Oberflä oder den Abstand zwischen Positron und Neutron. Beides ist nicht einfach zu kalibrieren (siehe CHOOZ-I) und sollte deshalb vermieden werden. In den Kalibrierungen ist die Selektion der Energien der verzögerten Neutronen nach ihrem Einfang am Gd Kern, wobei im Mittel 8 MeV in Gammas freiwerden, am wichtigsten. Dabei ist die Anforderung von 50-100 keV Präzision (zwischen beiden Detektoren) mit Standardtechnologien, d. h. Verwendung von Lasern und radioaktiven Quellen an verschiedenen Positionen, möglich.
Die Sensitivität eines Reaktors der Größe wie in Double-CHOOZ ist durch die Gesamtzahl der Signale gegeben, die Anforderungen an die Positronenenergieskala sind nicht so hoch, da das Gewicht der Verzerrung des Spektrums nur wenig in die Analyse eingeht. Dies wird jedoch noch in Simulationen untersucht.

Untergrund

In CHOOZ-I wurden natürlich schon Untergrundmessungen durchgeführt, die etwa ein Signal pro Tag ergaben.
Da der aktive Puffer in CHOOZ-far bei gleichem Raumwinkel für Ereignisse aus dem Inneren auf das Doppelte vergrößert wird, das Signal aber um das 2.5fache erhöht wird, kann das erstrebte Ziel von S/N > 100 erreicht werden.
Aufgrund der geringeren Abschirmung in CHOOZ-near wird der Untergrund durch kosmische Strahlung wichtig. Eine Abschätzung ergibt für einen Detektor in einer Entfernung von 150 Metern vom Reaktorkern unter 55-65 mwe Abschirmung eine Rate von 5000 Signalen pro Tag, wohingegen die erwartete Myonrate etwa einen Faktor zehn geringer ist. Daher wird nach jedem Myonereignis eine Totzeit von 500 μs geschaltet, was zu einer totalen Totzeit von etwa 25% führt. Damit erreicht man etwa 20 Rückstoßprotonen pro Tag, die ein Antineutrinosignal imitieren können, und etwa 15 Myon-induzierte kosmogene ⁹Li und ⁸He Ereignisse, wobei letztere noch mit großen Unsicherheiten verbunden sind, was jedoch zur Zeit untersucht wird. Insgesamt kann damit auch in CHOOZ-near die Bedingung S/N > 100 erfüllt werden.

Ausblick und Perspektiven

Ein neues, erweitertes Reaktorneutrinoexperiment an der Stelle des CHOOZ-Experiments hat das Potential, eine Sensitivität von sin²2Θ₁₃ < 0.03 (90% C.L.) für den derzeit besten Wert von Δm²_atm = 2.0⋅10^-3 eV² nach drei Jahren Betrieb zu erreichen.
Diese Zahlen ähneln in etwa dem Potential, das zukünftige long baseline Neutrinoexperimente (J-Park und NuMI-Off axis) im Jahr 2013 ereichen können, die Resultate sind aufgrund der Struktur der Experimente jedoch komplementär.
Der CHOOZ-far Detektor wird im Herbst 2006 installiert und soll Anfang 2007 mit der Datenaufnahme beginnen. Aufgrund der nötigen umfangreichen Baumaßnahmen wird CHOOZ-near ein Jahr später aufgebaut und soll ab Anfang 2008 erste Daten liefern.