Experimento Double Chooz

El experimento Double Chooz (DC) está ubicado en la planta de energía nuclear Chooz en Francia, y tiene dos núcleos que producen una potencia térmica total de 8,54 GWth. El detector de lejano de DC (FD) se coloca a 1050 m de los núcleos, cerca de la máxima distancia de oscilación y cuenta con un blindaje (300 m.w.e.) contra los rayos cósmicos. Un segundo detector idéntico (cerca del detector ND) está instalado a 400 m de los núcleos del reactor, en un nuevo laboratorio (115 m.w.e.). Esta configuración multidetector permite reducir drásticamente los errores sistemáticos asociados principalmente con el flujo de neutrinos y proporcionar un valor preciso de θ13.

El sistema de detectores de DC se muestra en la siguiente figura. La parte principal del detector está compuesto por cuatro tanques cilíndricos concéntricos con tres volúmenes centrales acoplados ópticamente. El volumen más interno (blanco) contiene 10,3 m3 de centelleador líquido cargado con Gd (1 g/l) dentro de un recipiente acrílico transparente, donde los neutrinos interactúan a través del proceso IBD. El blanco está rodeado por una capa de centelleador líquido sin Gd, Gamma-Catcher (GC), que se encuentra en un segundo vaso acrílico utilizado para detectar los rayos-X que escapan del objetivo. Los volúmenes más externos funcionan como protección pasiva y activa contra señales de fondo, como gammas y muones ambientales.

DC comenzó la toma de datos con el detector lejano en abril de 2011. Desde entonces, la colaboración ha llevado a cabo numerosos esfuerzos y avances para realizar una medición competitiva de θ13 utilizando los datos del FD mientras que el ND estaba en construcción. El mejor valor de θ13 medido al usar solo el FD es sin2(2θ13) = 0.090 +0.032-0.029 obtenido con un ajuste al espectro observado de energía [2]. Desde enero de 2015, el ND está tomando datos junto con el FD. En septiembre de 2016, DC presentó al CERN su primera medición θ13 utilizando la combinación de 2 años de datos de un solo detector y 15 meses de datos de los dos detectores y el valor medido para sin2(2θ13) es (0.119 ± 0.016). La gran mejora en la resolución de la medida se debe principalmente a la inclusión del segundo detector, que reduce la incertidumbre en el flujo de neutrinos del reactor del 1.7% al 0.1%. La fuerte cancelación del error de flujo se debe a la condición iso-flux de los dos detectores con respecto a los reactores. Además, se ha aumentado el volumen blanco incluyendo la interacción de neutrinos en el GC, considerando inclusive las capturas de neutrones en Gd, y H. De esta forma, la masa blanco es más de tres veces mayor reduciendo considerablemente el error estadístico. Esta medición se ha realizado, como en análisis previos, ajustando una predicción de Monte Carlo (MC) a los espectros de energía observados. Se observa una distorsión inesperada del espectro a alta energía (4-6 MeV) pero no hay impacto en la medición de θ13 porque la distorsión está presente en ambos detectores y se cancela. Se observa una fuerte correlación entre la tasa de exceso y la potencia del reactor, excluyendo la posibilidad de un fondo desconocido. La descomposición isotópica responsable de este exceso aún está bajo investigación. La medición de θ13 se está mejorando con una nueva implementación en el ajuste de algunos errores sistemáticos, como el error en la predicción del espectro de electrones anti-neutrinos y la incertidumbre del número de protones. Se espera una publicación para fines de este año.

Como una verificación cruzada, un ajuste de datos del FD a datos del ND también se realiza utilizando los 15 meses de datos de doble detector. En este caso, el valor de θ13 se mide como sin2(2θ13) = 0.123 ± 0.023. Este resultado no se ve afectado por la distorsión del espectro y es bastante compatible con el ajuste de datos de MC. El valor medido para sin2(2θ13) es mayor que la medida más precisa de Daya Bay (0.084 ± 0.005). Este nuevo resultado está en mejor acuerdo con las mediciones de haz T2K y NOvA.

 

 

En los dos gráficos de la izquierda, los puntos negros muestran la relación entre los datos, después de la resta de fondo, y la predicción de no oscilación en función de la energía visible de la señal. La línea roja superpuesta es el mejor ajuste para la predicción de no oscilación con la incertidumbre del flujo del reactor (verde) y la incertidumbre sistemática total (naranja). En el gráfico de la derecha, los puntos negros corresponden a relación entre los datos del FD y del ND, la incertidumbre sistemática total se muestra en verde.

 
 

 

Espectro de energía medida de la señal (puntos) superpuesta a la predicción sin oscilación de neutrinos (línea roja) normalizada al mismo número de eventos. El gráfico de la izquierda corresponde a los 2 años de datos únicamente con el detector FD, el central a los 15 meses de datos FD en modo multidetector y el gráfico derecho a los datos del ND para el mismo período. Los espectros correspondientes a diferentes fondos también se muestran.

 

Contribuciones del CIEMAT a Double Chooz

El grupo del física experimental de neutrinos del CIEMAT es un miembro activo de la colaboración Double Chooz desde marzo de 2006. El grupo del CIEMAT ha contribuido apliamente tanto en la construcción del detector como en el análisis de datos de física.

Las principales contribuciones y responsabilidades de nuestro grupo en los detectores de Double Chooz son:

  • Diseño, fabricación, ensamblaje e instalación de los 800 soportes mecánicos para los fotomultiplicadores (PMTs) de 10" de los detectores lejano y cercano
  • Diseño, fabricación y ensamblaje de los 800 blindajes magnéticos para los PMTs
  • Diseño, fabricación e instalación de los 800 módulos HV splitters y de los cables de alta tensión
  • Instalación de los PMTs dentro de los tanques de los detectores lejano y cercano
  • Estudio de la emisión de luz desde la base de los PMTs

En cuanto al análisis de física, nuestro grupo es responsable de la estrategia de análisis y estimación del fondo accidental, de la selección de neutrinos y producción de datos, del análisis Reactor Rate Modulation (RRM) y del desarrollo de un nuevo método para estimar las incertidumbres en la eficiencia de detección usando neutrinos. Los resultados de estos estudios son parte del análisis oficial de Double Chooz y están incluidos en las publicaciones de la colaboración.