Исследование редких реакций и распадов низкофоновыми газовыми детекторами в Баксанской нейтринной обсерватории ИЯИ РАН

Оглавление
Введение....................................................................6
Глава 1. Задачи современной низкофоновой физики и роль газовых детекторов
ионизирующих излучений в их решении......................................... 12
§ ). Изучение характеристик нейтринного излучения Солнца.................12
§ 2. Изучение свойств нейтрино.............................................21
§ 3. Поиск двухнейтринного, безнейтринного двойного бета-распада различных
изотопов................................................................29
§ 4. Прямые измерения массы электронного (анти) нейтрино...................42
§ 5. Поиск слабовзаи(содействующих массивных частиц (WIMP) и других
кандидатов на «темную» массу Вселенной..................................43
Глава 2. Характеристики низкофоновых газовых детекторов ионизирующих
излучений...............................................................56
§ 1. Ионизационный режим...................................................62
1.1. Ионная компонента....................................................65
1.2. Электронная компонента...............................................74
1.3. Тины ионизационных камер.............................................82
1.4. Особенности работы в низкофоновых условиях...........................88
§ 2. Пропорциональный режим................................................88
2.1. Электронная компонента...............................................93
2.2. Ионная компонента....................................................94
2.3. Энергетическое разрешение............................................95
2.4. Особенности конструкции ннзкофоновых пропорциональных
счётчиков............................................................101
§ 3. Фон газовых детекторов...............................................102
§ 4. Радиоактивность рабочих газов........................................104
§ 5. Многосскшюниый пропорциональный счётчика высокою давления............107
§ 6. Конструкционные материалы низкофоновых детекторов....................116
§ 7. Газо-вакуумная установка для заполнения счётчиков....................120
§ 8. Возможности использования низкофоновых пропорциональных счётчиков для решения прикладных задач.........................................122
8.1. Миниатюрный пропорциональный счётчик из кварцевого стекла...........122
8.2. Многонитяной бесс геномный пропорциональный счётчик для рентгеноспекгрального флуоресцентного анализа............................128
Глава 3. Исследование формы 13-спектра |4С.....................................134
§ 1. Методика измерений......................................................135
1.1. Схема эксперимента....................................................135
1.2. Выбор материала нити..................................................137
1.3. Выбор состава и давления рабочего газа................................139
1.4. Краевой эффект. ......................................................141
1.5. Особенности параллельной работы центрального и защитного
счётчиков..............................................................142
1.6. Влияние условий калибровки па точность измерений
формы (3-спектра ,4С...................................................146
1.7. Выбор оптимальной активности 4С.......................................146
1.8. Факторы, искажающие форму экспериментального р-снектра................147
§ 2. Методика расчётов.......................................................150
2.1. Расчет аппаратурных искажений.........................................150
2.2. Расчёт модельного спектра.............................................152
2.3. Результаты сравнения экспериментального и расчётного спектров.........155
Глава 4. Эксперименты но поиску 213'-распада |36Хс.............................159
§ 1. Теоретические ожидания..................................................159
§ 2. Методика ионизационной камеры высокого давления.........................160
2.1. Схема детектора.......................................................161
2.2. Методика измерений....................................................163
2.3. Обработка данных........................................................168
2.4. Результаты измерений....................................................170
§ 3. Методика бесстеночных пропорциональных счётчиков высокого давления. ..174
3.1. Конструкция детектора...................................................175
3.2. Рабочие характеристики счётчиков........................................175
3.3. 1 Іолная схема включения счетчиков......................................177
3.4. Сбор данных.............................................................178
3.5. Условия измерений.......................................................179
3
3.6. Измерение энергии.......................................................180
3.7. Измерение координаты....................................................182
3.8. Определение длины ионизационного трека..................................184
3.9. Результаты основных измерений...........................................185
§ 4. Методика больших медных пропорциональных счётчиков высокого
давления..................................................................192
4.1. Особенности конструкция детектора.......................................192
4.2. Рабочие характеристики м.п.с............................................193
4.3. Модернизация низкофоновой установки и регистрирующей аппаратуры 197
4.4. Обработка оцифрованных импульсов........................................198
4.5. Результаты первого этапа основных измерений.............................200
4.6. Результаты полного цикла измерений......................................204
4.7. Перспективы методики....................................................207
§ 5. Современное состояние исследований 213'-распада 136Хе.....................208
Глава 5. Эксперименты по поиску 21Г-, ек В+- и скек-процсссов в 7ХКг и |24Хе....213
§ 1. Установка с цилиндрической ионизационной камерой для исследования
213'- и ек 13'-процессов в 7хКг............................................217
1.1. Конструкция ионизационной камеры........................................217
1.2. Собственный фон образца обогащённого криптона...........................219
1.3. Экспериментальная установка.............................................220
1.4. Результат измерений......................................................221
§ 2. Установка с бесстеночным пропорциональным счётчиком для исследования
2К - захвата в 7ХКг и |24Хс................................................223
2.1. Методика эксперимента...................................................223
2.2. Результаты измерений для ,24Хс..........................................225
2.3. Результаты измерений для 7ХКг. .........................................229
§ 3. Установка с медным пропорциональным счётчиком высокого давления для
исследования 2К - захвата в 7ХКг и 124Хс...................................233
3.1. Методика эксперимента...................................................233
3.2. Процедура обработки формы импульсов.....................................237
3.3. Результат измерений.....................................................244
3.4. Перспективы метода для поиска 2К-захвата ,24Хе..........................253
§ 4. Редкие физические эффекты, регистрируемые одновременно с
2К-зах ватом.............................................................254
4.1. 2К-ионизация в результате фотоэффекта.................................254
4.2. 2К-ионизация в результате К-захвата ХІКг. ............................256
4.3. Теоретические неопределенности описания картины результирующих энерговыделений при 2К-захвате.......................................258
§ 5. Современное состояние исследований 2К-захвата на различных изогонах. ...259
Глава 6. Импульсные ионные ионизационные камеры................................261
§ 1. Импульсная ионная ионизационная камера для прямой регистрации
содержания радона и торона в воздухе.....................................265
1.1. Конструкция камеры и схема рег истрирующей установки..................265
1.2. Рабочие характеристики ВИНИК..........................................268
1.3. Измерения содержания радона в наземной лаборатории....................272
1.4. Измерения содержания радона в подземной лаборатории...................277
§ 2. Импульсная ионная ионизационная камера для измерения поверхностной
а-активности.............................................................280
2.1. Конструкция камеры....................................................281
2.2. Модельное представление отклика ИКИС..................................283
2.3. Результаты измерений..................................................286
2.4. Предельные возможности метода.........................................294
§ 3. Перспективы развития методики регистрации а-частиц распада радона и его
д.п.р. воздушной импульсной ионной камерой...............................295
Заключение.....................................................................296
Список литературы..............................................................299
5
Введение.
С 70-х годов XX века в мире сформировалось новое направление исследований, получившее название «подземная физика». Этот термин объединил научные задачи, для решения которых требуются условия с многократно сниженным фоном космических лучей (к.л.), достижимые под покровом земной толщи.
В подземных лабораториях решается большой круг вопросов в области физики космических лучей: 1) исследования анизотропии к.л. с энергиями выше К)12 эВ; 2) изучение химического состава к.л. с энергиями 1012-1016 эВ; 3) изучение характеристик взаимодействия с веществом мюонов с энергиями выше 1012 эВ. Проводятся исследования редких эффектов, вызываемых космическими лучами: 1) регистрация мюонов, рождённых нейтрино высоких энергий (атмосферные, внеземные нейтрино);
2) поиск нейтринных всплесков, сопровождающих коллапсы звёзд в Галактике; 3) поиск магнитного монополя и др.
Отдельная группа подземных экспериментальных установок предназначена для исследований нейтринного излучения Солнца и изучения свойств нейтрино, рожденных в наземных источниках.
Для решения ряда задач, в которых исследуются чрезвычайно редкие реакции и распады с энерговыделением, не превышающим МэВ, требуются условия, в которых не только фон к.л. снижен до максимально возможного уровня (>~10 раз), но одновременно до предела снижен фон ионизирующих излучений от распада естественных радиоактивных элементов в окружающей среде. Результат достигается экранированием экспериментальной подземной установки комбинированным слоем высокочистых защитных материалов, поглощающих эти излучения, и использованием высокочистых материалов в конструкции самой установки. К данному направлению исследований относятся задачи поиска различных мод двойного бега-распада ряда изотопов, поиск частиц-кандидатов на «тёмную» массу Вселенной, проверка закона сохранения электрического заряда и др. Перечисленные задачи далеки от окончательного решения, что определяет актуальность дальнейшей работы над ними.
Впервые в мире все рассмотренные выше направления исследований были объединены в единый комплекс в рамках проекта создания в СССР специализированной подземной лаборатории, которая в настоящее время носит название «Баксанская нейтринная обсерватория Института ядерных исследований РАМ» (БНО ИЯИ РАН).
В связи с высокой значимостью ожидаемых результатов многоцелевые подземные лаборатории с различающимися возможностями были построены в разных странах.
Наиболее известны своими результатами «КАМИОКА» (Япония), «ГРАН СЛССО» (Италия), «ФРЕДЖУС» (Франция), «МОДАН» (Франция). «СОУДЛІІ» (США), «ХОУМСТЕЙК» (США), «САДБЕРИ» (Канада).
Основные работы по исследованию редких реакций и распадов в БНО ИЯИ РАН были сосредоточены в Лаборагории НизкоФоновых Исследований (ЛИФИ). С 1972 по 1993 год сё возглавлял заведующий БНО ИЯИ РАН. д.ф.-м.н. A.A. Поманский. С 1993 по 1998 год - к.ф.-м.п. A.A. Смольников. С 1998 года заведующим ЛНФИ стал к.ф.-м.и. В.В. Кузьминов.
В настоящее время ЛНФИ имеет в своём составе гри подземные низкофоновые камеры, расположенные на разных расстояниях от входа в горизонтальную штольню подземного комплекса Обсерватории: 1) ПИзкофоновая КАмера(ПИКА) на расстоянии 385 м от входа (глубина 660 м водного эквивалента (м в.э.); полезная площадь ~100 м"; введена в строй в 1974 году); 2) КАмера НРецизиониых Измерений (КАПРИЗ) на расстоянии 620 м от входа (1000 м в.э.; полезная площадь 20 м2; введена в строй в 1985 г.); 3) Низкофоповая Лаборатория Глубокого Заложения на расстоянии 3670 м от входа (4900 м в.э.; НЛГЗ- 4900; полезная площадь ~200 м2; введена в строй в 1993 г.; модернизирована в 2008 г.). Поток к.л. в помещениях снижен в ~2103; -8-И)3; -1-Ю7 раз, соответственно.
За годы существования и развития в ЛІІФИ был выполнен ряд методических и исследовательских работ. Основные из них:
1). Создание первой подземной низкофоновой установки для исследования фоновых характеристик сцинтилляциониых кристаллов Nal(Tl);
2). Создание низкофонового спекіромегра с кристаллом Nal(Tl) для исследования фоновых характеристик различных материалов с целью отбора наиболее чистых;
3). Определение набора серийно выпускаемых металлов, имеющих минимальное содержание естественных радиоактивных элементов, пригодных для создания сверхнизкофоновых установок. Разработка оптимальной конфиіурации пизкофоновой защиты и её изготовление;
4). Поиск сверхплотного состояния ядер;
5). Проверка закона сохранения электрического заряда с целью установления пределов на время жизни электрона;
6). Исследование распределения космогенных радиоактивных изотопов в образцах лунного грунта, доставленного космическими аппаратами Луна-16, -20, -24;
7). Измерение содержания космогенного изотопа slKr в атмосферном криптоне и образцах, облучённых на реакторе и ускорителе;
7
8). Поиск 20-распада изотопов b0Nd и 10°Мо. Для последнего изотопа впервые в мире был обнаружен (202у)-распад;
9). Па различных газовых детекторах с возрастающей чувствительностью проведён ряд экспериментов по поиску 20-распада изотопа 136Хе;
10). На газовом пропорциональном счётчике выполнено высокоточное измерение формы 0-спектра 14С, установлены высокие ограничения на величину возможной примеси тяжёлого нейтрино;
11). На различных газовых детекторах выполнен поиск 2К-захвата 7хКг и 124Хе. В лаборатории CANFRANC выполнен совместный (Испания-Россия) эксперимент но поиску 20 - и с0 -распадов 78Кг.
12). Создан сверхнизкофоновый спектрометр с четырьмя G с-детекторам и. три из которых изготовлены из германия, обогащённого изотопом 6Gc. Выполнен совместный (Испания-Россия-СШЛ) эксперимент IGEX по поиску 20-распада ;6Ge.
13). Проведён один из первых экспериментов по поиску сигнала от WIMP на Ge-детскторах.
14). Разработана и изготовлена большая воздушная импульсная ионная ионизационная камера для прямой регистрации распадов 222Rn в рабочем газе с целью мониторинга его содержания. Выполнен ряд измерений;
15). Разработана и изготовлена большая воздушная импульсная ионная ионизационная камера для измерений низких уровней поверхностной a-активности различных материалов. Выполнен ряд измерений.
Все работы из приведенного списка, в которых использованы газовые детекторы, выполнены с участием автора с разной степенью творческого, организационною и физического вклада. Основные результаты работ изложены в представленной диссертации.
Диссертация состоит из Введения, шести Глав и Заключения.
В первой главе рассмотрен круг взаимосвязанных задач современной физики ядра и элементарных частиц, физики нейтрино и нейтринной астрофизики, решаемых в рамках «неускоритсльной подземной физики». Описаны основные черты экспериментальных установок. Выделены задачи, в решении которых используются газовые ионизационные детекторы. Показаны их достоинства и недостатки.
Во второй главе систематизированы современные знания о физике работы ионизационных детекторов в различных режимах. Собраны полезные данные о различных характеристиках инертных, многоатомных и органических газах, используемых для заполнения детекторов. Рассмотрены детекторы различной
конструкции и особенности их работы. Изложены основные принципы создания низкофоновых детекторов. Приведены данные о радиоактивности различных материалов. Представлены практические конструкции газовых детекторов, разработанных в ЛНФИ, и методические результаты, полученные с их помощью.
В третьей главе описана методика проведения высокоточных измерений формы р-спсктра "С с помощью многонитяного бесстсночного пропорционального счётчика. Представлены результаты измерений. Выявлены основные факгоры, искажающие форму р-спектра. Их вклад учтён при обработке экспериментальных данных. Выполнен анализ данных. Сформулированы выводы о соответствии формы Р-спектра МС форме Р-спсктра для разрешённого перехода и установлено высокое ограничение на параметры возможной примеси «тяжёлого» нейтрино с массой 17 кэВ.
В четвёртой главе представлены описания различных детекторов и методик измерений, использованных на разных этапах поисковых исследований процесса 2(3-распада изотопа 136Хе. Описаны особенности подходов к анализу данных от ионизационной камеры, бесстеночиого многонитяного пропорционального счетчика и большого однокамерного медного счётчика высокою давления. Систематизированы наработанные методы активного и пассивного подавления фона, применение которых позволило обеспечить последовательное снижение величины удельного фона и соответствующей рост чувствительности измерений. Проведено сравнение результатов данной работы с результатами других научных коллективов.
+ + 78
В пятой главе изложены методы и приёмы исследования 20 ф -распадов Кг с помощью низкофоновой установки, содержащей цилиндрическую ионизационною камеру, окружённую сцинтилляционными детекторами Х'а1(Т1). Приведены в развитии результаты поиска 2К-захвата изотопов 78Кг и ,24Хе с помощью бесстеночиого многонитяного пропорционального счётчика и большого однокамерною медного счётчика высокого давления. Описаны обнаруженные различия в поведении распределений характеристик импульсов фоновых и полезных событий, позволившие многократно повысить отношение эффект/фон. Рассмотрены возможности улучшения этого параметра путём анализа полной формы импульса, записанною в цифровом виде. Изложены принципы выделения полезных событий путём о>бора по признаку множественности числа областей первичной ионизации, определённому в результате вейвлет-анализа цифровой информации. Приведено рассмотрение редких процессов ионизации газа, сопровождающихся возникновением каргины распределения ионизации, похожей на 2К-захват.
В шестой главе дано обоснование преимущества использования воздушной
импульсной ионной ионизационной камеры перед другими способами контроля содержания “Яп н воздухе подземной низкофоновой лаборатории или иного обследуемого объекта. Представлены результаты изучения факторов, ухудшающих разрешение детектора. Приведены установленные в ходе методических исследований рецепты устранения этих факторов. Описана конструкция камеры большого объема с рекордной чувствительностью и показаны демонстрационные результаты продолжительного мониторинга содержания радона в наземной и подземной лабораториях. Описана конструкция импульсной ионной ионизационной камеры для измерений низких уровней поверхностной «-активности больших образцов, размещаемых непосредственно в рабочем газе детектора. Описана аппаратура, методика регистрации формы импульса цифровым осциллографом, методика обработки. Приведены результаты измерений для двух образцов материалов.
В Заключении сформулированы основные результаты и выводы работы, выносимые па защиту.
10
Il
Глава 1. Задачи современной низкофоиовой физики и роль газовых детекторов ионизирующих излучений в их решении.
Одной из основных тенденций в современной неускорительной экспериментальной ядерной физике является рост интереса к редким процессам, событиям и распадам, индуцированным слабым взаимодействием. Эти проявления исследуются, в частности, при решении следующих задач:
1. Изучение характеристик нейтринного излучения Солнца;
2. Изучение свойств нейтрино, в том числе:
а) поиск массы нейтрино;
б) осцилляции нейтрино;
в) определение иерархии массовых состояний нейтрино;
г) поиск магнитного момента нейтрино;
д) определение типа классификации нейтрино (дираковское или майорановское);
3. 11оиск двухнейтринного, безнейтрииного двойного бета-распада различных изотопов;
4. Поиск слабовзаимодействующих массивных частиц (WIMP) и других кандидатов на «темную» массу Вселенной.
§ 1. Изучение характеристик нейтринного излучения Солнца.
Более четырёх десятилетий насчитывает история исследований нейтринного излучения от Солнца.
Впервые эффект от солнечных нейтрино был зарегистрирован Хлор-Аргоиовым радиохимическим детектором Рея Дэвиса [1]. Детектор представлял собой стальной резервуар диаметром 6 м, длиной 14,4 м, заполненный 380 м жидкости с большим
содержанием хлора. В качестве такой жидкости выбран иерхлорэтилен (C2CI4) [2].
37 - 37
Для детектирования солнечных нейтрино использовалась реакция vc + ' Cl —► с' + Аг с пороговой энергией Епор3 0.814 Мэв. Образующийся изотоп 37Аг радиоактивен. Он распадается путем электронного захвата с периодом полураспада 35 суток. В 91% случаев захватываются электроны с К-оболочки, в 9% - с L-оболочки. Энергия возбуждения дочернего 37С1 с вакансий на соответствующей оболочке выделяется в виде характеристических фотонов и/или Оже-электронов и составляет в случае К-захвата 2,82 КэВ (выход флуоресценции о)к=0,0955), в случае L-захвата - 238, 203 либо 202 эВ
(зависит от подуровня L-оболочки, с которого захвачен электрон). Регистрация распадов 37Лг осуществлялась пропорциональным счетчиком объемом 0,5 см3. Извлечение атомов 37Лг из резервуара выполнялось путем продувки 4-105 л гелия через перхлорэтилен.
12
Предварительно в резервуаре растворялось небольшое (-0,1 см3) количество изотопно чистого стабильного ЗЛАг (или >хЛг) в качестве газа-носителя. Поток гелия из резервуара проходил сначала через холодильник с температурой -32°С и молекулярное сито при комнатной температуре, предназначенные для удаления паров перхлорати лен а. Затем -через охлажденную жидким азотом угольную ловушку, в которой сорбировался аргон. После окончания продувки ловушка прогревалась и десорбировавшийся газ подвергался дополнительной очистке на специальных поглотителях для выделения аргона [3|. Далее аргон очищался с помощью газового хроматографа от остаточных сопутствующих газов для удаления радиоактивных 3Н, х5Кг и 222Кп , которые могут внести вклад в фон при регистрации распада 37Аг . На завершающей стадии после измерения объема весь извлеченный аргон с помощью ртутного насоса Тошшсра помещался в пропорциональный счетчик, предварительно заполненный известным количеством метана без примеси трития.
Пропорциональный счетчик (ПС) в данном случае - важнейший элемент экспериментальной установки. От его совершенства в значительной степени зависит чувствительность эксперимента в целом. Он должен обладать высокой стабильностью рабочих характеристик, так как измерение активности одного образца продолжается в течение 8 - 10 месяцев. Первые -100 дней измеряется (эффект + фон), далее - только фон. Мертвые объемы и краевой эффект счетчика должны быть сведены к минимуму, чтобы максимально увеличить полную эффективность регистрации распадов Аг. Поскольку в типичном сеансе измерения наблюдается всего около 6 событий с характеристиками, соответствующими распаду 37Аг, ПС должен иметь чрезвычайно низкий фон.
Для Хлор-Аргонового эксперимента была разработана специальная конструкция счетчика, максимально удовлетворяющая перечисленным выше требованиям в пределах имевшихся на тот момент (конец 60-х годов 20-го века) технологического опыта и знаний |4]. Счегчик состоял из цилиндрической кварцевой оболочки, в которую был вставлен катодный цилиндр с внутренним диаметром -5 мм, длиной -25 мм и толщиной сіенки -1 мм. Для изготовления оболочки использовался сверхчистый оптический кварц, для изготовления катода - сверхчистое железо зонной плавки. Счетчик герметизировался оплавлением мест соединения оболочки с торцевыми кварцевыми вставками. Выводы анода и катода проложены параллельно оси оболочки в длинных кварцевых капиллярах, припаянных с одного конца счетчика к торцевой вставке. К концам кварцевых капилляров через многослойный переходник соосно припаяны капилляры из стекла, которые образуют вакуумно-плотный контакт с поверхностью вольфрамовых выводных проводников при усадке стекла под нагревом и откачкой. На середине длины кварцевых
13
капилляров сделаны отводы к вакуумным кварцевым кранам, оси которых также параллельны оси оболочки, но лежат в смещенной плоскости. Через них происходи! откачка счетчика и заполнение рабочими газами. При заполнении образцом аргона, извлеченным из танка с СзСЦ, принимаются меры для того, чтобы ртуть из насоса Топплера заполнила капилляры и дошла почти до входа в рабочий объем. Этот прием позволяет существенно снизить мертвые объемы. Специальных мер по снижению краевого эффекта (КЭ) в конструкции таких счетчиков не предусматривалось. Оценить величину Ю можно но известному для цилиндрических счетчиков правилу, согласно которому заметное снижение коэффициента газового усиления из-за ослабления напряженности электрического поля анода под влиянием заряда на торцевом изоляторе начинается на расстоянии до изолятора, равном радиусу [5]. Таким образом, величина КЭ для рассмафиваемого ПС составляет -20 %. Для максимального снижения фона измерения проводились в подземной лаборатории шахты Хоумстейк (г.Лид. Южная Дакота) на глубине 4400 м в.э., где поток космических лучей и фон от них снижен в —Ю6 раз по сравнению с поверхностью [6]. Снижение фона естественной радиоактивности достигалось помещением ПС в колодец высококачественного низкофонового кристалла Nal(TI), служившего детектором антисовпадений. Вся сборка, в свою очередь, размещалась в низкофоновой защите, состоящей из 30 см РЬ+5 см Hg.
В борьбе за предельно низкий фон в области энергий распада '7Аг ( 2,82 ± 0,40 кэВ) чрезвычайно полезным оказался метод разделения точечных энерговиделений и протяженных, созданных быстрыми электронами, пересекающими счетчик. Это оказалось возможным, поскольку скорость нарастания начального участка фронта импульса от распада 37Аг (точечное событие) значительно выше, чем от протяженного трека при одинаковом полном энерговыделении. Иными словами, заряд, наведенный на анод за первые 5-10 не развития импульса от собранной точечной ионизации, существенно выше, чем от протяженной, поскольку процесс собирания электронов первичной ионизации из протяженного трека занимает несколько наносекунд. Для классификации событий по этому признаку в Хлор-Аргонновом эксперименте использовалось значение амплитуды продифференцированного импульса (amplitude of the differenliated pulse, ADP-иараметр). Отбор импульсов от распада 37 Аг производился в этом энергетическом окне, соответствующем энергетическому разрешению линии 2.82 кэВ (ширина пика на половине высоты). С учетом границ ADP-параметра, установленных по источнику 5‘Fc так, чтобы внутри этих границ лежало 90% событий от распада 37Аг, эффективность регистрации распадов 3?Аг в выбранном энергетическом окне составляла 40-45% [6].
14
Как уже упоминалось, в типичном сеансе измерений наблюдалось около 6 событий, имеющих характеристики, соответствующие распаду 37Аг. Фон счетчиков при этом составлял 0,033 сут.'1 в период 1970-1984 гг. (0,010 сут.'1 после 1984 г.), или за первые сто дней регистрировалось в среднем 3,3 фоновых события (1 событие).
Достигнутой чувствительности оказалось достаточно, чтобы более чем за 25 лет непрерывных измерений получить значения скорости захвата в детекторе солнечных нейтрино с энергией выше 0,81 МэВ с точностью не хуже 10%. Она составила (2,55 ± 0,25) SNU (SNU - Solar Neutrino Unit, специальная единица, характеризующая скорость захвата солнечных нейтрино в детекторе, равная Ю'36 захвата нейтрино атомом-мишенью в секунду) 17J.
Предсказываемая современной уточненной стандартной солнечной моделью (ССМ) скорость захвата равна (9.5 +,~_ ід) SNU [81. Болес чем трехкратное отличие экспериментального и теоретического результатов получило название «загадка солнечных нейтрино». Следует заметить, что выше приведены окончательные значения. В процессе проведения исследований их величины несколько менялись, но соотношение в пределах ошибок оставалось таким же. Для объяснения указанного расхождения рассматривались две возможности: 1) отличие реальной структуры Солнца от описываемой по ССМ, 2) неизвестные свойства нейтрино. Сделать правильный выбор могли бы позволить результаты измерений с другой мишеныо, имеющей меньший порог и чувствительной ко всему спектру солнечных нейтрино. Поскольку хорошо измеренный полный поток энергии, испускаемый Солнцем в основном в виде электромагнитного излучения с поверхности, определяется скоростью термоядерных рр-рсакний, требовалась мишень с порогом ниже максимальной энергии рр-нейтрино (< 420 кэВ). В работах [9,10] для регистрации солнечных нейтрино впервые было предложено использовать ;lGa. Реакция vc + 7lGa —* с + 7iGc имеет порог 0,233 МэВ и, таким образом, мишень из 7,Ga чувствительна к рр-нейтрино. Содержание изотопа ?1Ga в природном галлии составляет 39,9%. Расчеты по ССМ предсказывают скорость взаимодействия солнечных нейтрино с ‘Ga - 128 = 9 SNU, в том числе 73 SNU от рр- и р-е-р - нейтрино , 34 от 7Вс, 13 от *В и 8 от нейтрино CNO-цикла [11].
Изо гоп 71 Ga распадается с периодом полураспада 11,43 сугок путём электронного захвата [12]. Электроны с М-, L- и К- оболочек захватываются, соответственно, в 1,57 %; 10,4% и в 88% случаев. При L-захвате вакансия на L-оболочкс 71Оа заполняется, в основном, с вылетом Ожс-элсктронов с суммарной энергией 1.2 кэВ (I.-пик). При К.-захвате вакансия на К-оболочке 7,Ga заполняется с вылетом в 52;8% случаев
15
характеристических фотонов Кы (Е = 9,25 кэВ) и Кр (Е = 10,3 кэВ), и в 47,2% случаев -каскадов Оже-электронов с суммарной энергией 10,37 кэВ (К - пик) [13].
Наиболее подходящим детектором для регистрации таких эиерговыдслений является пропорциональный счетчик. Для введения 7,Оа в рабочий газ ПС в работе [14] было предложено использовать газообразное химическое соединение германия с водородом -моногермаи (СеН4).
Эксперименты по регистрации солнечных нейтрино с помощью радиохимических Галлий-Гсрманиевых детекторов были реализованы независимо двумя научными коллективами. В эксперименте ОАЬЬЕХ (Германия, Израиль. Италия. Франция) использовалось 30 т галлия в виде концентрированного раствора ваСЬ - НС1 с полной массой 105 т. Установка располагалась в подземной лаборатории Гран Сассо (Огап БавБо, Италия). Атомы 'Ое, генерируемые нейтрино, образуют летучие молекулы СеСЦ. В начале каждого цикла в раствор в качестве носителя добавлялось известное число атомов стабильного изотопа германия, который также образует СеС14 в количестве, достаточном для проведения контролируемой экстракции. Циклически использовались изотопы - 70, 72, 74 и 76, что позволяло измерять стенень извлечения германия при возможном присутствии следов носителя из предыдущего цикла. По окончании очередной экспозиции (~ 30 суток) ОеС14 выделяется из раствора путем продувки азота через резервуар. Далее газовый поток проходит через газоочистители, в которых веСЦ поглощается водой. Затем СеС14 экстрагируется в СС14 и реэкстрагируется водой, не содержащей трития. На последней стадии из ОсС14 с помощью МаВН4 синтезируется ОсН4 Его объем составляет 0,1 - 1,0 см3 [15]. Для исключения возможного фона от трития в процессе синтеза моногермана использовались реагенты с низким содержанием этого изотопа. Полученная порция моногермана смешивалась с ксеноном в соотношении 3:7 и закачивалась в миниатюрный низкофоновый пропорциональный счетчик, по конструкции похожий на ПС для Хлор-Аргонового эксперимента.
Счетчики для эксперимента ОАЕЬЕХ имели некоторые конструктивные технологические усовершенствования. Объем ПС равен 0,5 см3. Оболочка изготовлена из сверхчистого кварца, /(ля изготовления трубчатых катодных вставок использовалось железо зонной плавки или чистый полупроводниковый кремний. Для счёта распада ,!Ое счетчики размещались в низкофоновой защите из сверхчистой меди. В результате специально проведенной работы по тщательному отбору материала для изготовления счетчиков и защиты удалось достичь чрезвычайно низкого уровня фона счетчика. При включенном отборе точечных событий по времени нарастания, фон в энергетическом окне ± 2,36 а для Ь- пика составил 0,04 сут.'1, для К- пика - 0,02 сут.'1.
Часть измерений была сделана в другой низкофоновой установке, которая кроме пассивной зашиты в центральной части содержала два плотно сдвинутых больших сцинтилляционных детектора на основе кристалла Nal(Tl) с осевыми полу колодцам и, обращенными друг к другу открытыми торцами. Счетчики разметались в образовавшейся закрытой полости. Из-за остаточных примесей радиоактивного 411К в стекле фотоумножителей фон MC оказался в четыре раза выше, чем в пассивной защите. В режиме ангисовпадсний со сцинтилляционным детектором фон I !С снижался в два раза [16|. Калибровка счетчиков осуществлялась с помощью внешнего ' Gd-Cc источника. Спектры, образующиеся при возбуждении ксенона в ПС характеристическим излучением церия, содержали смешанные пики вылета с максимумами при 1,03; 5,09 и 9,75 юВ. Два из этих пиков по энергии близки к L-пику (1,17 кэВ) и К-пику (10.37 кэВ) от распада 7lGc.
Измерения в эксперименте Gallex, проводившиеся в несколько этапов (GALLEX1 -GALLEX4), были начаты в мае 1991 и закончены в феврале 1997 года. Конечный результат, основанный на данных измерений числа атомов 7'Ge. образовавшихся в 65 экспозициях («солнечный» ран) (1594 дня), и большом количестве «пустых» проверочных извлечений («бланковый» ран) составил 77.5 ± 7,7 SNU. Дальнейшие измерения на этой установке проводились в рамках коллаборапии GNO и были начаты в апреле 1998 г. Результат измерений 58 солнечных раной (1713 дней) и 12 бланковых, полученных к апрелю 2004 г., составил 62,9 ± 5,4 stat ± 2,5 syst SNU. На этом этапе измерения с Ga-Gc детектором в Гран Сассо были завершены [17].
Второй эксперимент SAGE (Soviet American Gallium Experiment) проводится с 1990 г. на Северном Кавказе в подземной лаборатории Галлий Германиевою Нейтринного Телескопа Баксанской нейтринной обсерватории ИЯИ РАН на глубине 4700 м в.э. Мишеныо служит металлический галлий с полной массой около 50 т, размещенной равномерно в семи химических реакторах. Галлий поддерживается в расплавленном состоянии при температуре + 31°С (температура плавления галлия + 29,8 °С). Измерения носят циклический характер. В начале каждого цикла в реактор добавляется небольшой образец галлия с равномерно распределенным, хорошо известным количеством (всего 0,3-0,7 мг) стабильного германия-носителя (лигатура). Тщательным перемешиванием достигается равномерное распределение носителя по всему объему мишени. После экспозиции, которая длится 4-6 недель, образовавшийся ?lGc вместе с носителем экстрагируется из мишени [18]. Для этого в начале извлечения в каждый реактор добавляется раствор, содержащий 1 кг НС1; 5,2 кг ЬЬОт и 68,8 кг ГЬО. Предварительно исходные реагенты очищаются от возможных следовых количеств германия. В процессе интенсивного перемешивания раствора и галлия до стадии эмульсии атомы германия
эффективно экстрагируются в раствор. Поскольку процесс сопровождается выделением тепла, компоненты раствора перед добавлением в реактор охлаждаются: раствор I ICI до -15°С, воды до + 4°С. Примерно через 25 минут практически вся Н2О2 расходуемся и эмульсия разрушается и расслаивается. Процедура экстракции завершается добавлением в каждый реактор 37 л 7N HCL и перемешиванием » течение 1 минуты. После этого растворы из всех реакторов сливаются в единый стеклянный сосуд. Каждый реактор промывается 20 л 0,5N HCL путем перемешивания с галлием в течение одной минуты.
11ромывочные растворы сливаются в тог же сосуд.
Поскольку за одну экстракцию извлекается 80% германия, вслед за первой проводится вторая отдельная экстракция. При её окончании после второй промывки вносится лигатура и для предотвращения окисления галлия в каждый реактор наливается 100 л 1Н НС!., которая удаляется только перед следующей экстракцией. Далее раствор упаривается в 4 раза, поскольку при дальнейшем упаривании возрастает вероятность потери атомов германия из-за испарения молекул GeCL. Упаренный раствор сливается в другой стеклянный сосуд, входящий в состав герметичной газовой установки. Концентрация ІІС1 доводится до 9Н добавлением 12N НСІ. После этого раствор продувается в течение полутора часов аргоном со скоростью 1 м3/час. Германий в виде летучего GeCL, переносится потоком аргона в ловушку, содержащую 1 л 1ЬО. Далее GeCL экстрагируется в СО.* и реэкстрагируется водой, не содержащей трития. На последней стадии из GeCL с помощью NaBIL синтезируется моиогерман. На этой стации, как и в эксперименте GALLEX, используются реагенты с предельно низким содержанием трития. Потоком гелия моиогерман переносится в газовый хроматограф, где происходит его заключительная очистка. К моногермаиу добавляется известное количество ксенона и вся смесь с помощью насоса Топплера закачивается в пропорциональный счетчик. Для регистрации распадов 7'Ga в эксперименте SAGE использовались цилиндрические кварцевые ПС трех типов. Все они имели примерно одинаковые размеры: длина катода 50 мм, внутренний диаметр катода 4 мм. диаметр вольфрамой анодной нити 10-12 мкм, газовый объём 0.6 - 0,7 см3. Количество германия-носителя в лигатуре подобрано так, чтобы объём синтезированного моногермана составлял 10-20 % от обьсма рабочего газа в ПС при давлении смеси около 700 Topp [19|-
В счетчиках первого типа к цилиндрическому катоду толщиной I мм из железа зонной плавки приклеивались эпоксидной смолой цилиндрические торцевые пробки из оргстекла, по оси пробок пропускалась анодная нить. В отверстия одной пробки вклеивался кварцевый вакуумный кран, через который производилась откачка и заполнение ПС. Вблизи места вклейки на цилиндрической части крана укреплялся вывод анода. Для
калибровки НС служило топкое кварцевое окошко, приклеенное над отверстием в центральной части катода. ПС этого типа не обладали необходимой долговременной стабильностью из-за газовыделений из оргстекла и клея. Качественная вакуумная подготовка таких ПС была невозможна, поскольку клеевые соединения не выдерживали необходимого нагрева. Подобного недостатка были лишены счетчики второго типа (LA). разработанные специалистами из Лос-Дламоса (США). Их конструкция, по сути, была похожа на конструкцию ПС в эксперименте GALLEX, описанную выше. Отличалось внешнее исполнение. Эти счетчики можно откачивать при 100-110 °С, поэтому в дальнейшем они показываю-]' хорошую долговременную стабильность характеристик в целом. Для калибровки этих ПС толщина кварцевой оболочки над отверстием в центре железного катодною цилиндра уменьшалась до 100 - 200 мкм. Как показал опыт эксплуатации счетчиков типа LA, при длительном использовании в результате многочисленных калибровок излучением источника 55Fe участок анодной нити под окном утолщался из-за оседания на нем продуктов развала молекул моногермана. Поэтому результаты калибровок «старого ПС» носили локальный характер. Для правильной интерпретации результатов калибровок и измерений требовалось ввести дополнительные калибровки излучением источника ,(WCd (22 кэВ), которое проходит через железную стенку катода и позволяет облучать ПС по всей длине.
С сентября 1992 года измерение фона счётчиков проводится в низкофоновой установке, состоящей из пассивной и активной защиты. В качестве активной защиты используется сцинтилляциониый детектор с кристаллом Nal(Tl) диаметром 22,5 см, высотой 22,5 см с осевым колодцем диаметром 7,5 см и глубиной 7,5 см. В колодце размещаются до 8 ПС. Кристалл изготовлен из специально отобранных материалов с минимальным содержанием радиоактивных примесей. Просматривается через кварцевые световоды (0=7,5 см; h-10 см) четырьмя фотоумножителями ЕМ1 типа 9265А (0=7,5 см). Свободное пространство между световодами заполнено свинцом марки DocRan. Снаружи но цилиндрической поверхности кристалл окружен слоем радиоактивно чистого вольфрама толщиной 1 см.
Вся сборка размещается внутри пассивной защиты из 30 см низкофоновой стали (снаружи) и 2 см сверхчистой меди. Фон кристалла в защите при энергии выше 200 кэВ составляет 3 Гц. Внутренние полости установки продуваются парами жидкого азота.
Фон счётчиков типа ГА в этой установке в интервале ±2,36о составил для Г-пика 30.4 год'1 (0.08 сут.’1), для К-иика- 22,7 год*1 (0.06 сут.'1) [20].
С 2001 года в эксперименте стати использоваться счётчики третьего типа (YCT). Они изготовлены полностью из кварцевого стекла. Катодом служит слой пирографита, осаждённого на внутренней поверхности кварцевой колбы разложением при температуре
-600°С паров гсксана или ацетона. Анодная нить центруется осевыми кварцевыми капиллярами. Со стороны крана нить натянута вольфрамовой пружинкой. Противоположный конец анода впаян в капилляр и снаружи загерметизирован оплавленным кварцем. Форма переходного участка колбы от рабочего диаметра к капилляру подобрана так, что краевые эффекты снижены практически до нуля. Для создания изолирующего участка между катодным покрытием и анодом кольцевой слой пирографита на небольшой длине переходного сужения удалён выжиганием в среде кислорода. Для уменьшения фона от распада радиоактивных элементов, осевших на поверхности кварца, наружная поверхность колбы стравливалась фосфорной кислотой до юлшииы 150-200 мкм. При такой толщине вся поверхность ПС относи гсльно прозрачна для излучения 5.9 кэВ от калибровочного источника 55Ре. Счётчик становится чувствительным к низкоэнергичному рентгеновскому излучению и 6-частицам, присутствующим в колодце КаІ(ТІ). Для устранения этого источника фона на ПС УСТ надеваются дополниіельньїс зашитые стаканчики из оргстекла толщиной 3 мм, вставленные в медные заглушенные грубки толщиной 1 мм. Фон счётчиков УСТ в интервале ±2.36а составил для Ь-пика 20.2 год'1 (0,055 сут.'1), для К-пика - 13,0 год'1 (0,036 сут. ') [20].
С января 1990 по декабрь 2007 года было проведено 168 циклов извлечений и выполнено -300 измерений акшвности проб, полученных в основной и дополнительной экстракциях. В результате измеренная скорость взаимодействия солнечных нейтрино с галлием составила 65,4-3,1/-3.0(стат.)+2,6/-2,8(сист.) 8Ми [21]. Видно, что результаты двух независимых экспериментов в пределах ошибок совпадают. Однако теоретические предсказания почти в два раза превышают полученные результаты.
Эффект в галлиевых радиохимических детекторах создаётся, в основном, низкоэнергичными рр-нейтрино, поток и спектр которых предсказывается достаточно уверенно. Поэтому получившееся расхождение экспериментальных и теоретических величин явилось дополнительным аргументом в пользу гипотезы об изменении свойств нейтрино на пути от источника до детектора. Окончательно этот вопрос удалось решить с помощью электронных детекторов солнечных нейтрино (ЭДРВ), работающих в режиме реального времени. Такие детекторы регистрируют продукты взаимодействия нейтрино в момент взаимодействия и позволяют получать информацию об энергии, времени и направлении прихода нейтрино. ЭДРВ имеют мишени с много большей массой, чем радиохимические детекторы, что обеспечивает высокую скорость набора статистики. Однако в настоящее время они уступают радиохимическим детекторам но пороговой энергии детектируемых нейтрино.
20
ЭДРВ Супер-Камноканде (S.-IC.) работает с 1996 года в шахте Камиока в Японии. Это большой водный черенковский детектор, мишень которого содержит 50 тыс. і они чистой воды. Из них 22 тыс. т используются для регистрации солнечных нейтрино [22,23]. Деіектор S.-К. является преемником детектора Камиокандс II (3 тыс. і воды), который был создан для поиска распада протона и после ряда мероприятий по снижению фона в 1986 году был подютовлен для детектирования солнечных нейтрино [24J . Черенковский свет электронов отдачи, образующихся в воде в результате рассеяния нейтрино на электронах среды, регистрируется фотоумножителями, распложенными на внутренних стенках детектора. Пороговая энергия нейтрино в S.-К. составляет 6,5 МэВ (8-Ю МэВ в Камиоконде II). поэтому он способен регистрировать только В и hcp-нейтрино. S.-K. регисїрируег не только электронные нейтрино vc, но также V,, и vT. сечения упругого рассеяния которых на электронах в -6,5 раз меньше, чем для vc. Результат измерений потока солнечных нейтрино оказался равен [2,32*0,03 (сгат.)-К),08/-0.07 (сист.)]-106с|см‘\ что составляет около 40% от предсказываемого но ССМ. При этом форма измеренного спектра совпадает с расчетной в диапазоне 6.5-14.0 МэВ.
§ 2. Изучение свойств нейтрино.
Детектор S.-К. эффективно регистрирует заряженные частицы высоких энергий, рождённые в грунте вокруг установки и в воде самой установки в результате взаимодействия космогенных (рождённых в результат взаимодействия космических лучей) нейтрино атмосферного происхождения. Электронные и мюонные нейтрино образуются, в основном, в процессах распада вторичных космических частиц к'—* р++ vH
и ц'—► ef+i/M+v« (и зарядово сопряжённые реакции распада). Расчётное отношение потока
мюонных нейтрино к электронным г = (vM+ v fl)/( vc+ vс) ожидается близким к 2.
Особенности функции распределения фонового света вокруг колец черепковского света позволяют определить тип заряженной частицей, вызвавшей это событие: мюон или электрон. Это, в свою очередь, позволяет узнать аромат нейтрино, всіупившего в реакцию с ядром N вещества (v^j + N —► е(ц) + X), и направление его движения. От ношение R = гЭШ1/ Грасчег должно быть близким к 1, если в расчётах правильно учтены все особенности взаи.модейс 1 вия нейтрино с веществом. В период проведения измерений в расчётах предполагалась неизменность свойств нейтрино на пути от точки рождения до детектора. В результате обработки экспериментальных данных о г детектора S.-К. было установлено, что величина отношения R существенно меньше 1 и зависит от зенитного
і
угла ]25, 26]. Это наблюдение было интерпретировано, как указание на существование
21
осцилляций нейтрино типа V,,«-* \\. где \\ может быть либо v:, либо новым не взаимодействующим «стерильным» нейтрино. Для случая vp<-> vt были определены параметры осцилляций Ат2 = (1,6- 3,9)-10'3 эВ2, sin 20 > 0,92 (90% у.д.) [27].
Другой детектор реального времени SNO (Sudbury Neutrino Observatory) начал
измерения в конце 1999 года в г. Садбери в Канаде [28, 29]. Мишень детектора содержит в
прозрачном акриловом резервуаре 1000 тонн тяжёлой воды D2O. Она окружена 7200 тоннами обычной воды, являющейся пассивно-активной защитой. Центральный объем просматривается 9456 фотоумножителями. Детектор SNO чувствителен к солнечным нейтрино от'В (Емах=14 МэВ) которые вызывают- следующие реакции:
v. + ä -> р + р + е~ (СС)
\\ +(/ —> р + п+ vr {NC) vr+<?"-> vv+e' {ES)
Реакция заряженного тока (charge current - СС) чувствительна только к электронным нейтрино. Реакция нейтрального тока (neutral current - NC) чувствительна в равной степени к нейтрино всех типов (д=«,/л г ). Упругое рассеяние (elastic scattering - HS) так же чувствительна к нейтрино всех ароматов с указанными выше соотношениями сечений. Сама по себе ES-рсакция не позволяет определить полный поток хВ-нейтрино и его аромат ный состав. Однако сравнение потока хВ-нсйтрино, определенною по этой реакции в предположении отсутствия осцилляций (Ф/А0\)), с потоком, определенным по СС-реакции (Ф( (v.)), позволяет получить однозначные выводы о возможном изменении аромата нейтрино. Если электронные нейтрино от Солнца изменяют свой аромат, то Ф<( (v )< Ф/л(ут) [30,31]. В эксперименте были получены следующие значения (в единицах 106 c.m'V):
Ф“ =1,76 {стат.) ±J;JJ (с ист.)
ФИ = 2,39 (стат.)±2'|2 (сист.)
Ф u = 5,09 ±°0 :J {стат.) +J;** {сист.)
Эти данные подтверждают гипотезу трансформации аромата нейтрино на пути от источника до детектора. Величина потока, определенная по NC-реакции в предположении стандартной формы спектра нейтрино, в пределах ошибок совпадает с предсказаниями ССМ: Ф;^ = 5,05±0 8*, [32]. В эксперименте SNO был проведен поиск возможного из-за
обратного МСВ -эффекта изменения аромата солнечных нейтрино при прохождении через переменную толщу земли над установкой ("день-ночь" эффект). Величина параметра Л =2(Ф„ -Ф„ХФ* + Ф,і)« г№ Ф*н Ф<) - потоки электронных нейтрино в ночное и дневное
время, оказалась равной 7,0%± 4,9%(cmam.)±[ ^ (сист.)% [331- Этот результат так же
подтверждает гипотезу нейтринных осцилляций и является сильным свидетельством того, что истинные значения осцилляционных параметров Ат2 и 0 лежат в области больших углов смешивания (Large Mixing Angle solution - LMA).
Окончательное решение проблемы выбора области осцилляционных параметров было получено на установке KamLAND (Kamioka Liquid scintillator Anti - Neutrino Detector) в эксперименте по регистрации реакторных антинейтрино [34]. KamLAND расположена на месте детектора Kamiokande на глубине 2700 м.в.э. Мишеныо служит 1000 т сверхчистого жидкого сцинтиллятора (ЖС), размещенного в сферическом прозрачном баллоне диаметром 13 м. изготовленном из композитной пленки nylon/EVON толщиной 130 мкм. Для поддержки баллона и придания ему сферической формы используется сетка из кевларовых канатов. ЖС состоит из 80% додекана и 20% псевдокумена. В качестве снинтиллирующсй добавки используется РРО в количестве 1,52 г/л. От внешнего излучения центральный детектор защищает слой смеси додекана и изопарафина, отделяющий его от стенок из нержавеющей стали наружного сферического сосуда диаметром 18м. Па внутренней стенке этого сосуда размещены 1879 фотоумножителей. Снаружи сосуд окружен 3200 тоннами воды, которая просматривается 225 фотоумножителями. Слой воды защищает внутренний сосуд от у-излучения и нейтронов из окружающей породы и служит детектором черепковского излучения мюонов космических лучей. Антинейтрино с энергией выше 1,8 МэВ детектируется посредством
реакции обратного бета-распада vc + p->e*+n. Источником антинейтрино служат реакторы японских атомных электростанций. Болес 79% расчетного потока в детекторе KamLAND создаются 26 реакторами, находящимися на расстоянии 138-214 км. Поток антинейтрино рассчитывается с хорошей точностью, исходя из тепловой мощности конкретного реактора и расстояния до детектора.
На основе анализа данных, накопленных за 145,1 дня (экспозиция 162 т-год) установлено, что отношение числа зарегистрированных событий к числу ожидаемых в отсутствии осцилляций равно 0,611±(),085(стат.)±0,041 (сист.) для антинейтрино с энергией больше 3,4 МэВ. Для случая осцилляции нейтрино двух ароматов и выполнения СРТ-инвариантности данный результат исключает вес параметры осцилляционных моделей за исключением LMA-решений. Для этого случая найдены значения Am2 = 6,9 1 О*5 эВ2 и sin2 20 = 1,0.
Для случая смешивания нейтрино трех ароматов вероятность выживания электронного антинейтрино зависит от двух углов смешивания О12 и О13. Лучшее согласие результатов
23
KamLAND в этом варианте достигается для 0,86< sin2 20із <1,0 (при том же Ат2 = 6,9-10° эВ2) и при величине sin2 20|з <0.15, полученной в эксперименте CHOOZ [35]. Знание параметров смешивания нейтрино позволяет восстановить первоначальную цель экспериментов по регистрации солнечных нейтрино - исследование внутреннего строения звезд и источников их энергии. Интерес смещается в сторону задачи измерения спектров солнечных нейтрино.
Для регистрации солнечных рр-нейтрино (<0.42 МэВ) в режиме реального времени предложен проект большой врсмя-проскционной камеры (Time Projection Chamber - TCP), заполненной до ~ 10 атм. гелием с добавками СП* (проект HELLAZ и его модификации) (36.37,38]. Эскизная схема предс тавлена на рис. 1.1. Цилиндрический сосуд из пластика
Рис.1.1. Схематический вид сечения врсмя-проскционной камеры для регистрации солнечных нейтрино.
(акрил или полиэтилен) объемом - 3000 м3 вставлен в герметичный медный корпус. Между ними размешена плотная низкофоновая зашита (пластик и/или вода). Вся сборка вставлена в стальной корпус высокого давления. Полость между ними так же заполнена низкофоновым защитным материалом. Высоковольтный электрод делит объем ТСР на две равные части. На него подается отрицательный потенциал (10(Н 200) кВ. который создаст дрейфовое поле. На торцах внутреннего цилиндра расположены детектирующие плоскости с двухкоординатным (х,у)-считыванием. Шаг чувствительных электродов -2мм. Шаг но координате г (направление дрейфа) задается временем опроса (х.у)-
24
электродов (200 - 300) не и скоростью дрейфа электронов (1.2 м/мс) и составляет - 0.3мм. Ожидается, что ГРС будет иметь энергетический порог - 100 кэВ. Грек электрона с такой энергией имеет полную длину ~ 9 см. Угловое разрешение при 100 кэВ составляет 15 , энергетическое ~ 5%. Отбор треков, направление которых лежит в пределах угла с соя6{ £0.8 относительно направления на Солнце, позволяет снизить фон от 4 до 10 раз при потере 1/3 полезных событий [381. Энергия нейтрино может быть определена но измеренным соя(? и энергии электрона (Т):
Е _________________________
(^/1 + 2/н с’ /Т)со$0 -1
Порогу по электронам в 100 кэВ соответствует порог по энергии нейтрино > 200кэВ. Для массы газа-мишени 7 тонн ожидается скорость счета < 1—2)-10' год1. При содержании 2,8и в материалах внутренней пластиковой защиты и кожуха ГРС на уровне 3 101' г/г расчетная скорость счета фоновых событий составит 150 су г'1. При этом предполагается, что поток у-квантов от внешних слоев материалов снижен защитой ниже величины потока, создаваемого внутренними слоями.
Возможность реализации такого детектора была независимо подтверждена в эксперименте коллаборации МІЛМи по регистрации событий рассеяния реакторных антинейтрино на электронах. Для выполнения данного эксперимента была построена ГРС объемом 1 м \ Схема установки в продольном сеченин приведена на рис. 1.2.
liquid scintillator
steel ^ У о
vessel
РМТ —
х-у plane \ “0-
\ • • • •
anode
СН2+В
anode acrylic vessel CF4gas\
Рис.1.2. Схематический вид сечения врсмя-проекционной камеры MUNU.
Цилиндрический корпус ТРС с внутренним диаметром 90 см и длиной 160 см изготовлен из прозрачного акрила толщиной 5мм. Внутри цилиндра на одном торце размещен катод.
25
сделанный из высокочистой электролитической меди. На другом конце установлена регистрирующая пропорциональная камера, состоящая из плоской се пси, анодной плоскости и плоскости с двух-координатным (х,у)-считыванием. Сетка изготовлена из параллельных металлических нитей о 100 мкм, расположенных на расстояниях 4,95 мм. Анодная плоскость состоит из чередующихся анодных (о20 мкм) и потенциальных нитей (о 100 мкм). Расстояние между ними так же 4,95 мм. Расстояние между се і кой и анодом -8,5 мм, между анодом и (х,у)-плоскостью - 3 мм. (х.у)-Плоскость изготовлена из металлических полосок (стрипы), расположенных с шагом 3,5 мм на двух сторонах поддерживающей РЕТ-плснки (полиэтилснтсрефталат). Количество стрипов в х- или у— слое равно 256. Они заземлены через считывающие токовые предусилители 139.40]. Металлические кольца, формирующие однородное дрейфовое поле, размещены с шагом 6,4 см на наружной стенке акрилового цилиндра. Камера может быть заполнена CF4 до давления 1-5 бар. В основных измерениях давление составляло 3 бар. При потенциале катода (-45 кВ) скорость дрейфа электронов ионизации была равно 2.2 см/мке. Поскольку стенки камеры слишком тонкие для удержания такого давления, функцию корпуса высокого давления выполнял цилиндрический металлический кожух жидкою сцинтилляционного детектора (о =200 см, L=390 см) объемом 10 м\ в центре которого размещена ТРС. Внутренняя поверхност ь кожуха покрыта двуокисью титана для лучшего светоотражения. Бак залит сцинтилляюром NE-235 и просматривается 48 низкофоновыми фотоумножителями с диаметром фотокатода 20 см (ЕМI 9351). Фотоумножители размещены поровну на двух внутренних торцах бака. Поскольку корпус ТРС прозрачен, фотоумножители регистрируют- кроме вспышек света из жидкого сцинтиллятора (ЖС) также свет от первичной ионизации газа а-частицами и свет4, образующийся при развитии лавин. Порог по энерговыделению в баке составлял ~100кэВ. Количество фотоэлектронов в ФЭУ ог вспышки света при ионизации CF4 в ТРС а-частицей с энергией 5.3 МэВ соответствует эффекту от поглощения в сцинтилляторе электрона с энергией 153 кэВ. Снаружи бак с жидким сцинтиллятором окружен низкофоновой защитой, состоящей из борированного полиэтилена (8 см) и свинца (15 см). Установка была размешена на глубине 20 м.в.э. на расстоянии 18,6 м от реактора Bugey (Франция). Поток электронных антинейтрино составлял величину 1.2-10й cm’V. Скорость счета ТРС выше порога в 300 кэВ составляла 70 с'1. После введения отбраковки событий от а-частиц; мюоиных событий; треков, касающихся стенки ТРС; событий, сопровождающихся сигналом от рассеянного у-кванта, поглощенного в ЖС, фон был снижен до 780 сут'1. После отбора событий, направление начальных участков треков которых лежит в конусе с углом л/4 относительно направления прихода антинейтрино, скорость счет снизилась до 97 сут'1 в
11 кг CF.i (порог 300 кэВ). Из анализа результатов для энергии выше 700 кэВ было получено лучшее на 2005 год экспериментальное ограничение на величину магнитного момента антинейтрино piv <9-10~u/i„ (90% У.Д.), где рв - магнетон Бора [41]. В этой же
работе была проверена возможность снижения порога регистрации электронов отдачи. Показано, что при давлении 1 бар порог ТРС по энергии может быт ь снижен до 100 кэВ. Треки электронов с энерг ией выше 150 кэВ восстанавливаются достаточно эффективно. Для электронов с энергией 200 коВ энергетическое разрешение составило 10% (1а). Эти данные подтверждают потенциальную возможность использования газовой ТРС большого объема для регистрации низкоэнергичных солнечных рр-нейтрино.
Для регистрации в режиме реального времени потока солнечных нейтрино от источника Ве (Ну = 0.86 МэВ. 90%) предложен проект установки BOREXINO [42,43]. Детектор состоит из центральной сферической емкости о8,5 м. изготовленной из прозрачного нейлона. Объем заполнен жидким сцинтиллятором с полной массой - 300 т на основе псевдокумена с растворенной сцинтилляционной добавкой (РРО, 1,5 r/л). Сфера подвешена в центре сферического бака из нержавеющей стали ОІ3.7 м, на внутренней поверхности которой равномерно размещены 2200 фотоумножителей. 1800 ФЭУ снабжены световыми конусными концентраторами и просматривают центральный детектор, собирая 30% света из него. Оставшиеся 400 ФЭУ входят в систему активной защиты от проникающих мюонов, способных создавать фон. Весь объем нержавеющей сферы заполнен не активированным псевдокуменом, служащим пассивной защитой (1040 т). Между нержавеющей стенкой и центральным детектором размещен дополнительный сферический слой нейлона (о~12 м), служащий барьером для диффундирующих из нержавеющей стали и корпусов ФЭУ атомов 222Rn. Внутренняя нержавеющая сфера погружена в сверхчистую деионизованную воду с полной массой 3000 т, удерживаемую наружной стенкой из нержавеющей стали (о 18 м, hmax= 17 м). Па внешней поверхности центральной нержавеющей сферы установлены 200 ФЭУ, просматривающих воду. Они регистрирую!* черепковский свет, создаваемый мюонами, и входят в систему антмсовпадсний. 7Ве-нейтрино регистрируются посредством реакции (v, е)- рассеяние на электронах среды сцинтилляционного детектора. Регистрируется сцинтилляционные вспышки от электронов. Спектр электронов отдачи имеет вид ступеньки, спадающей до нуля при 660 кэВ на высокоэнергичном крае подобно спектру комптоновских у-квангов. Со стороны низких энергий граница анализируемого участка спектра определяется фоном от электронов ß распада МС (Tiß = 5730 лет, Ер = 156 кэВ). присутствующего в сцинтилляторе (|4С/|2С ~10'18). Для других фоновых радиоактивных примесей достигнуты уровни ЧО*16 г 23XU/r, ~10'16 г 232Th/r, ~10'14 г па,К/г. В рабочем окне 250-^800 кэВ (с
27
учетом разрешения) после дискриминации фона ожидается скорость счета' 14+60 сут*'(в зависимости от модельных ограничений потока Ве-нейтрино) при остальном фоне 15 сут'1 [44]. Первые результаты измерений были получены в 2008 году. Скорость счёта событий от 7Be—нейтрино с энергий 0,862 МэВ составила 47 ±7(стат.) ±]2(сист.) сут'-(100 т)*1. Результат согласуется с предсказаниями стандартной солнечной модели с учётом осцилляций с параметрами из LMA-области и MSW-эффскта [87].
На этапе исследования возможностей создания полномасштабной установки BOREXINO была построена установка BOREXINO Counting lest Facility (CTF) [42. 45]. CTF состоит из стального бака диаметром 11 м, и высотой 10 м. заполненного высокочистой водой (-1000т). В центре бака подвешена шаровая емкость о2,1 м из прозрачной нейлоновой пленки толщиной 0.5 мм. содержащая 4.8 м3 жидкого сцинтиллятора (псевдокумен + 1,5 г/л РРО). Содержание радиоактивных примесей в воде на выходе очистительной установки составляет ~ 10'14 г/г noU/Th, ~ Ю'10 г/г К и < 5 мБк/л 222Rn, в сцинтилляторе ~ 5-Ю'16 г/г noU/Th. Сцинтиллятор просматривается с помощью 100 ФЭУ (о8"). размещенных по сферической поверхности на поддерживающей структуре о7 м. Фотоумножители снабжены коническими световыми концентраторами /шиной 57 см и диаметром входною отверстия конуса 50 см. ФЭУ с концентраторами перекрывают 20% всею световою потока от сцинтиллятора. В воде на расстоянии 2 м от стен бака установлен дополнительный замкнутый (сферический) нейлоновый барьер для предотвращения попадания во внутренний объем воды атомов 222Rn, выходящих из стальной стенки. Внутри бака установлены так же ФЭУ антимюонной защиты.
*
регистрирующие черепковский свет от воды. Собственный фон центральной части сцинтиллятора составляет величину <0,01(кэВ*кгтод" ). В работах [46.47] рассмотрена возможность использования СЇТ в качестве основы для создания детектора солнечных рр-нейтрино. Для достижения требуемых параметров CTF должна быть модернизирована. Объем центрального сферического сосуда должен быть увеличен до 4.8 м с тем, чтобы в него вошло - 60 т сцинтиллятора. Ближний к поверхности слой сцинтиллятора толщиной 1 м будет использован как активная защита для центральною рабочего основного объема сцинтиллятора массой 10 т. Число фотоумножителей предложено довести до 800 штук. Они будут размещены на поддерживающей сферической решетке о8,8 м. Для получения полною (100%) светосбора предполагается снабдить каждый ФЭУ световым концентратором шестигранной формы. Концентраторы прилегают друг к другу без зазоров. На дне и потолке бака должны быть установлены 50 фотоумножителей, просматривающих воду. Они входят в систему активной зашиты от мюонов, которая регистрирует вспышки черепковского света от воды. Предполагается использовать
28
дополнительный сферический барьер из нейлона для предотвращения диффузии атомов радона от стен металлического бака и ФЭУ к центральному детектору. Предполагаемые усовершенствования позволят получить энергетическое разрешение при 200 кэВ 10.5% (до переделки - 27%) и пространственное разрешение - 8 см (до переделки - 20 см). Благодаря столь высоким характеристикам появляется возможность регистрировать электроны отдачи от (у-е)-рассеяния рр-иейтрино (ч = 420коВ, ££„ = 270коВ) даже при
содержании изотопа ,4С в сцинтилляторе на уровне 2-10_,к 14С/!2С. При этом в
энергетическом интервале 172-250 кэВ за 1 год измерений в центральной части детектора е массой 10 т ожидается (для ЬМЛ - решения) 412 событий от рр-нейтрино. 256 событий от солнечных нейтрино других цепочек (в основном - 7Ве) при фоне от |4С и других источников 1500 и 228, соответственно [47].
§ 3. Поиск двухнейтрннного, безнейтринного двойного бета-распада различных изотопов
После надежного установления факт наличия у нейтрино массы из данных по осцилляциям солнечных (БКО), атмосферных (БиРПЯКАМЮКАЫПБ). реакторных (КатЬЛЫО) нейтрино и ускорительных нейтринных экспериментов приоритетными в исследованиях свойств нейтрино стали задачи измерения величин массы нейтрино разных ароматов и определения физических значений параметров теоретической модели образования этих масс. Физически наблюдаемые нейтрино с разными ароматами могут быть описаны через массовые состояния выражением
к>=£[<К'к) • <1л> где
/«і
с = с,р,т; } = 1,2,3; фактор еФ' является СР-фазой ( в случае СР-сохрансния он равен ±1), I означает левую компоненту', и'; - коэффициенты связи [48].
Данные по осцилляциям солнечных, атмосферных, реакторных, и ускорительных нейтрино позволяют определить только разность квадратов масс массовых состояний Дж2 = |ш2 -т;|, но не дают ответа на вопрос о величине этих масс. Э го, в свою очередь,
не позволяет сделать выбор между возможными соотношениями этих масс. Различают нормальную, вырожденную, обратную и частично вырожденную иерархии. В ‘'нормальной" массы различны и их соотношение подобно соотношению заряженных фермионов [49] Ш|<пі2<тз; при “вырожденной” иерархии - ті ~Ш2 ~шз; при "обратной" иерархии - ті *ггь > пт*; при частично вырожденной - Ш| »Шг < шз.
29
Если нейтрино - массивная МаЙорановская частица (у,зуД то возможен пронесе
безиейтринного двойного бета-распада (Л^)->(Л,%±2) + 2/?*. Скорость распада
подходящих для этой реакции ядер, рассчитанная с учетом толі,ко обмена массивными майораповскими нейтрино, может быть записана в виде:
л;;=(1п2)[7*Ч0*-0‘)]‘‘ =О0Ч^,2)|<ш,)|'|<’ (1-2)
где Ту (0* --()') - период полураспада; С01 - фактор фазового объема (С0г - (2й>5): |(м, }| -
массовый фактор майорановского нейтрино; М])к и - матричные элементы Ферми и
Гамова-Тсллера соответственно; gл и яг - константы аксиального и векторного
взаимодействия соответственно; - энергия перехода [48]. Фаіаор |(/иг)| являє гея
"эффективной Манорановской массой электронного нейтрино" и может быть получен из (1.1) умножением на диагональную фазовую матрицу Майораны:
1Н>1
ki'w, +к2Г т2е*г +lwilw3^(<t'+<s>
(1.3)
где е*!’ - майорановскис СР фазы (±1 для СР - сохранения в лептонном секторе).
Недавно на основе анализа данных о распределении интенсивности микроволнового фонового излучения по небесной сфере, полученных в высокоточном эксперименте Wilkinson Microwave Anisotropy Probe (WMAP - данные) (50], установлено ограничение на суммарную массу нейтрино всех ароматов (ms) на уровне ms =£«iv <0,69э£(95%У.Д.). Одновременно подтверждено, что имеется три поколения нейтрино. Величина ограничения зависит от используемых при анализе моделей и может достичь т% <10эВ(95%У.Д.) [51]. Совместный анализ данных но осцилляциям солнечных, атмосферных, реакторных, ускорительных нейтрино и данных WMAP позволяет оценить области допустимых значений эффективной Майорановской массы электронного нейтрино (ЭММЭН) для различных иерархий. На рис. 1.3 из работы [49] приведены такие оценки. Здесь же представлена область значений ЭММЭН, рассчитанная
30