Daya Bay

Daya Bay — реакторный эксперимент в южнокитайской провинции Гуандун. В 2012 году он определил последний неизвестный угол смешивания нейтринных осцилляций — и тем самым открыл дорогу поиску CP-нарушения.

Недостающий угол

Матрица PMNS содержит три угла смешивания. Два из них были известны к рубежу тысячелетий: θ₁₂ из солнечных нейтрино и KamLAND, θ₂₃ из атмосферных нейтрино.

Третий, θ₁₃, был неизвестен и, возможно, равен нулю.

От этого числа зависело многое. Будь θ₁₃ равен нулю, CP-нарушение в лептонном секторе вообще нельзя было бы измерить — соответствующая фаза не входила бы больше ни в одну наблюдаемую величину. Вопрос о том, почему Вселенная состоит из материи, остался бы на этом пути без ответа.

Прежние эксперименты ограничивали θ₁₃ только сверху. Все указания говорили за то, что он мал, — вопрос был в том, мал он или равен нулю.

Устройство

На площадке стоят шесть ядерных реакторов общей тепловой мощностью 17,4 гигаватта, один из самых мощных нейтринных источников мира.

Daya Bay разместил восемь одинаковых по конструкции детекторов, по 20 тонн сцинтиллятора в каждом, в трёх подземных залах: два вблизи реакторов, на расстоянии около 500 метров, и один дальний зал примерно в 1 650 метрах.

Сцинтиллятор был с добавкой гадолиния. Этот элемент особенно охотно захватывает нейтроны и испускает при этом сильный световой сигнал — что делает запаздывающее совпадение двух вспышек гораздо отчётливее.

Почему конструкция была решающей

Хитрый приём заключается в сравнении. Ближние детекторы измеряют, что испускают реакторы; дальний измеряет, что приходит.

Тем самым отпадает самая большая неопределённость. Сколько именно антинейтрино отдаёт реактор, зависит от топлива, от выгорания и от ядерных данных, которые сами известны лишь до нескольких процентов. Для измерения, в котором речь идёт о дефиците в несколько процентов, это было бы смертельно.

Но поскольку все восемь детекторов были одинаковы по конструкции и заполнялись одним и тем же сцинтиллятором из одной и той же партии, эти неопределённости в отношении сокращаются почти полностью.

Детекторы даже меняли залами прямо в ходе работы, чтобы исключить и последний остаток приборных различий.

Результат

В марте 2012 года коллаборация представила результат всего после 55 дней измерений: θ₁₃ отличен от нуля, со значимостью более пяти стандартных отклонений.

Значение оказалось к тому же больше, чем многие ожидали, — достаточно большим, чтобы сделать CP-нарушение измеримым на установках следующего поколения.

Несколькими неделями позже эксперименты RENO в Корее и Double Chooz во Франции подтвердили этот результат. T2K незадолго до того дал первые указания с другой стороны, через появление электронных нейтрино в пучке.

К завершению измерений в декабре 2020 года Daya Bay определил θ₁₃ с точностью примерно три процента — до сегодняшнего дня это самое точное значение.

Что из этого последовало

Без этого результата не было бы ни Hyper-Kamiokande, ни DUNE в их нынешнем виде. Оба построены для того, чтобы измерить асимметрию между нейтрино и антинейтрино — а что это вообще возможно, показал Daya Bay.

Связанные понятия

• Матрица PMNS — где стоит θ₁₃
• Реакторные нейтрино — источник
• T2K — измерение с другой стороны
• JUNO — преемник в Китае

Источники

• Коллаборация Daya Bay: Observation of Electron-Antineutrino Disappearance at Daya Bay, Physical Review Letters 108, 171803 (2012).
• Коллаборация Daya Bay: Precision Measurement of Reactor Antineutrino Oscillation at Kilometer-Scale Baselines, Physical Review Letters 130, 161802 (2023).