2
ОГЛАВЛЕНИЕ
Введение...............................................................4
Глава 1 Экспериментальные методики поиска массы нейтрино 10
1.1 Двойной Р-распад..................................................10
1.2 Поиск нейтринных осцилляций.......................................13
1.3 Исследования Р-спектра............................................16
Глава 2 Эксперименты по поиску массы электронного антинейтрино из анализа формы Р-спектра трития........................................24
2.1 Эксперимент Бергквиста............................................28
2.2 Эксперимент ИТЭФ..................................................30
2.3 Эксперимент в Лос-Аламосе.........................................31
2.4 Эксперимент ШЗ(Токио).............................................34
2.5 Эксперимент в Цюрихе(Швейцария)...................................36
2.6 Эксперимент в Ливерморской национальной лаборатории...............39
2.7 Эксперимент в Майнце..............................................40
Глава 3 Спектрометр для исседования Р-спектра трития с целью измерения массы электронного антинейтрино в ИЛИ РАН.............................44
3.1 Интегральный электростатический спектрометр с магнитной адиабатической коллимацией............................................44
3.2 Моделирование спектрометра........................................48
3.3 Устройство спектрометра...........................................54
3.4 Магнитная система спектрометра....................................59
3.5 Криогенная система установки......................................69
3.6 Вакуумная система установки.......................................72
Глава 4 Измерение основных характеристик спектрометра.................74
4.1 Искусственный источник электронов.................................74
4.2 Детектирующая система спектрометра................................79
/.
4.3 Разрешение спектрометра.......................!...................81
4.4 Светимость спектрометра...........................................86
з
4.5 Собственный фон спектрометра........................................87
Глава 5 Применение спектрометра в установке "Троицк у-мазэ"..............91
5.1 Описание установки...................................................91
5.2 Проведение измерений.................................................94
5.3 Результаты измерений спектра электронов от р-распада трития..........95
Заключение...............................................................97
Список используемой литературы...........................................99
4
ВВЕДЕНИЕ
Возможность существования ненулевой массы электронного нейтрино (антинейтрино) остается одной из важнейших проблем физики элементарных частиц и космологии. Согласно Стандартной модели все легкие нейтрино ~к>ум’уг~ безмассовые. Ненулевая масса у нейтрино
была бы указанием к поиску новой физики, лежащей за пределами Стандартной модели.
Некоторые современные теории предсказывают, что нейтрино имеют массу, отличную от нуля. Одной из возможных моделей, где допускается масса у нейтрино, является и$ее-$а\у" механизм Гелмана, Рамона, Сланского (Оеіі-шапп, Кашопсі, Біапзку) [1]. В данной модели требуется, чтобы нейтрино были майорановскими, т.е. самосопряженными частицами. Это требование выполнимо, поскольку, в отличие от других лептонов, которые должны быть Дираковскими частицами, нейтрино не имеют заряда. Однако, наличие у нейтрино Майорановской массы означает, что не может быть строгого выполнения закона сохранения лептонного числа. Наиболее вероятной моделью появления массового матричного элемента для нейтрино может быть простейший "Бее-Баху" механизм:
где после диагонализации получаем:
то\л
Такие ненулевые массы могут сопровождаться смешиванием посредством констант взаимодействия 0>у, где /,у = е,//,г, и посредством
5
углов СаЬіЬо-КоЬауа$1іі-Ма5ка\¥а в кварковом секторе в некоторых соответствующих моделях,.
В настоящее время существуют и другие теоретические модели, где масса нейтрино не равна нулю. Так Виттеном [2] было показано, что в минимальной 50(10) теории нейтрино может иметь массу ~ 1 еВ. Нейтрино могут так же иметь Дираковскую массу, вытекающую из введения радиационных поправок в теориях лево-правой симметрии [3]. Моделями, где предполагается появления Дираковской массы у нейтрино, являются 5и(2)хи(1) и 511(5) [4]. В этих моделях вводится симметрия, где связываются правосторонние и левосторонние нейтрино. Однако, вопрос о том, является ли нейтрино Майорановской или Дираковской частицей всё ещё остается нерешенным.
Вопрос о массе нейтрино имеет так же большое значение в космологии для объяснения "скрытой массы" Вселенной. Траектории вращения Галактик указывают на присутствие вокруг них несветящихся Гало [5]. Движение кластеров показывает, что Галактики, составляющие эти кластеры, более массивны, чем предполагалось ранее [6]. Массивные нейтрино могли бы быть кандидатами для объяснения "скрытой массы" [5, 7]. Однако, существует мнение, что нейтрино имеют слишком большую энергию, чтобы удерживаться гравитационно, и что Гало вокруг Галактик состоит из несветящего барионного вещества.
Существуют так же модели со смешиванием горячей и холодной "темной" материи, которые кажутся наиболее удачными в описании наблюдаемого уровня флуктуаций фонового космического микроволнового изучения [8,9,10]. Нейтрино с массой в области 1-10 эВ являются наиболее вероятными кандидатами для объяснения горячей "темной" материи.
9 •
Экспериментальные попытки измерения массы нейтрино имеют большое значение. В настоящее время ограничения на массы для трех видов
6
нейтрино следующие:
т¥' < 2.05 эВ - измерение р-спектра трития [ 11 ];
т < 190 КэВ - измерения импульса мюона при распаде пиона
(пв состоянии покоя [ 12];
туг< 15.5 МэВ - измерения суммарной массы заряженных частиц
вблизи граничной энергии в распаде т —> Зп +2к* + уТ [ 12 ].
Новейшие результаты экспериментов по изучению потоков атмосферных и солнечных нейтрино, а так же нейтрино, образовавшихся в ядерных реакторах, позволяют утверждать, что существуют осцилляции нейтрино, которые возможны только в случае, если нейтрино имеют ненулевые массы. Однако измерить величину массы нейтрино в данных экспериментах нельзя. Исследование кинематики Р-распада трития может дать информацию о массе электронного антинейтрино непосредственно. Поэтому развитие методики и создание экспериментальных приборов для этой цели очень важно.
Целыо данной диссертации является развитие нового экспериментального подхода к проблеме поиска массы электронного антинейтрино, а именно - создания спектрометра нового типа и изучение его основных характеристик с целыо применения этого спектрометра в эксперименте, который проводится в ИЯИ РАН. Эксперимент относится к классу моделыю независимых, т.е. использует прямой способ поиска массы нейтрино через изучение формы Р-спекгра трития вблизи его граничной энергии и опирается на новую методику, впервые предложенную В.М.Лобашевым и П.Е.Спиваком в 1982 г.
Работа состоит из 5 глав. В первой главе дано описание экспериментальных методик для поиска массы нейтрино. Во второй главе представлен обзор экспериментов по поиску массы электронного
7
антинейтрино из анализа формы р-спектра трития. Третья глава посвящена подробному описанию спектрометра для экспериментальной установки по поиску массы электронного антинейтрино в Институте ядерных исследований РАН. В четвертой главе представлена методика проведения измерений основных характеристик спектрометра, дано описание специально разработанных для для этой цели устройств и приводятся измеренные характеристики электростатического спектрометра с магнитной адиабатической коллимацией. В пятой главе кратко описано применение данного спектрометра в установке "Троицк V-пшз" и приводится полученный результат по измерению массы электронного антинейтрино. В заключении сформулированы основные результаты и выводы из проделанной работы.
Научная новизна и практическая ценность работы состоит в том, что:
1. Создан новый тип электростатического спектрометра мягких электронов с магнитной адиабатической коллимацией для экспериментальной установки по измерению массы электронного антинейтрино через изучение спектра электронов от р-распада трития. Данный прибор обладает лучшими характеристиками по сравнению с другими устройствами, созданными ранее для этих целей. Созданный спектрометр имеет чуствительность к массе электронного антинейтрино на уровне 2 эв.
2. Специально для исследования характеристик спектрометра разработан и создан искусственный монохроматический источник электронов и другая экспериментальная аппаратура.
Применение спектрометра в установке "Троицк у-масс" позволило получить лучший в настоящее время верхний предел на хмассу
і.
электронного антинейтрино в прямых р-распадных экспериментах. Опыт работы с данным спектрометром используется при работе над проектом
8
«Катрин», создаваемым в Карлсруэ (Гёрмания).
Основной материал диссертации составляют результаты полученные в 1985-1995 годах и опубликованные с следующих работах:
1. В.М.Лобашев, П.Е.Спивак, В.И.Парфенов, Н.А.Голубев,
О.В.Казаченко, А.А.Голубев, Б.М.Овчинников, Е.В.Гераскин,
A.М.Белесев, А.П.Солодухин, И.В.Секачев, Н.А.Титов, Ю.Э.Кузнецов. ИНТЕГРАЛЬНЫЙ ЭЛЕКТРОСТАТИЧЕСКИЙ СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ЭНЕРГЕТИЧЕСКОГО СПЕКТРА ß-ЧАСТИЦ. Авторское свидетельство № 1707652 (1991), заявка № 4418616 (1988).
2. С.Н.Балашов, А. И. Белесев, А. И. Блейле, Е. В. Гераскин, А.А.Голубев,
Н.А.Голубев О.В.Казаченко, Б.М.Овчинников, В.М.Лобашев, П.Е.Спивак,
B.И.Парфенов. Спектрометр для измерения массы нейтрино.
Отчёт ИЯИ АН СССР, (М., 1988). ВНТИЦ, per. номер 01840069064, инв. номер 167990.
3. С.Н.Балашов, А.И.Белесев, А.И.Блейле, Е.В.Гераскин, А.А.Голубев,
Н.А.Голубев, В.В.Ишкин, О.В.Казаченко, Ю.Э.Кузнецов, В.М.Лобашев,
В.И.Парфенов, Б.М.Овчинников, И.В.Секачев, А.П.Солодухин, П.Е.Спивак, Н.А.Титов, И.Е.Ярыкин. Интегральный электростатический спектрометр электронов низкой энергии с магнитной адиабатической коллимацией для измерения массы покоя электронного антинейтрино. Препринт ИЯИ АН СССР, П-0617(М.,1989).
4. А.И.Белесев, А.И.Блейле, Е.В.Гераскин, А.А.Голубев, Н.А.Голубев, О.В.Казаченко, Ю.Э.Кузнецов, В.М.Лобашев, Б.М.Овчинников, И.В.Секачев, А.П.Солодухин, АЛФедосеев, В.И.Парфенов, И.Е.Ярыкин. Сверхпроводящая система спектрометра для измерения массы покоя электронного антинейтрино. Препринт ИЯИ АН СССР, П-0615 (М.,1989).
5. S.N. Balashov, A.I.Belesev, A.I.Bleule, E.V.Geraskin, A.A.Golubev, N.A.Golubev (speaker), V.V. Ishkin, O.V. Kazachenko,' Yu. E.Kuznetsov, V.M. Lobashev, V.I. Parfenov, B.M. Ovchinnikov, I.P. Sekachev,
- Київ+380960830922