ОГЛАВЛЕНИЕ
Введение............................................................5
Глава 1. Эксперименты по поиску массы нейтрино.....................7
1.1 Осцилляции нейтрино..........................................8
1.2 Двойной бета-распад.........................................12
1.3 Наблюдение нейтрино от сверхновых звезд.....................13
1.4 Исследования бета-спектра...................................14
1.4.1. Определение массы нейтрино из бета-спектра трития вблизи
граничной энергии...................................................15
1.4.2 История исследований бета-спекгра трития................18
1.4.3 Эксперимент в Майнце....................................22
Глава 2. Установка «Троицк ню-масс»...............................25
2.1 Состав установки............................................25
2.2 Принцип работы спектрометра.................................26
2.3 Конструкция спектрометра....................................28
2.4 Вакуумная система спектрометра..............................31
2.5 Криогенная система установки................................32
2.6 Тритиевый источник электронов...............................33
2.7 Контроль состава газовой смеси в источнике..................38
2.8 Искусственный источник электронов (электронная пушка) 39
Глава 3. Система сбора данных.....................................47
3.1 Особенности регистрации.....................................47
3.2 Структура системы сбора данных..............................47
3.3 Контроль за температурами элементов спектрометра............48
3.4 Канал регистрации электронов................................50
3.4.1 Детектор................................................50
3.4.2 Предварительный усилитель...............................51
3.4.3 Усиление и оцифровка сигнала............................53
3.4.5 Мониторный детектор.....................................57
3.5 Форма амплитудного спектра..................................59
3.6 Проверка линейности канала сбора данных.....................62
3.7 Контроль за давлениями в источнике и спектрометре...........63
3.8 Высоковольтная система.................................... 64
3.9 Программное обеспечение системы сбора данных................68
3.9.1 Выбор рабочих точек.....................................68
3.9.2 Алгоритм сбора данных...................................68
3.9.3. Отображение результатов во время набора данных.........70
3.9.4 Хранение данных.........................................71
3.10 Предварительная обработка полученных экспериментальных данных................................................................71
3.10.1 Источники фона.........................................72
3.10.2 Временной анализ сигналов с детектора..................74
3.10.3 Огбор данных для обработки.............................76
3.10.4 Выбор эффективности регистрации........................76
3.10.5 Фильтрация «пачек» импульсов...........................79
3.10.6 Коррекция на необнаруженные пачки импульсов............81
3.10.7 Коррекция на мёртвое время АЦП.........................82
3.10.8 Коррекция на наложения импульсов.......................83
3.10.9 Вычисление темпа счёта.................................85
3.11 Сравнение теоретического и экспериментального спектров 86
3.12 Зависимость результатов фитирования данных от параметров предварительной обработки.............................................89
3.13 Результаты измерений.......................................90
3.14 Аномалия бега-спектра......................................93
3.15 Развитие установки. Проект «КАТРИН»........................94
Заключение........................................................95
Приложения........................................................97
Приложение 1. Формат файла данных...............................97
4
Приложение 2. Пример списка рабочих точек...................100
Библиографический список использованной литературы............101
*
Введение.
5
Экспериментальная проверка возможности существования ненулевой массы нейтрино является одной из интереснейших задач современной физики элементарных частиц и космологии. Открытие такой массы могло бы изменить наши представления об эволюции Вселенной и помогло бы решить задачу поиска темной материи во Вселенной. Вопрос о том, имеет ли нейтрино массу, играет ключевую роль и при построении современных теорий элементарных частиц - таких как Теория Великого Объединения и Теория Суперсимметрии.
В последнее время физика нейтрино приобретает всё большую актуальность в связи с некоторыми указаниями на существование процессов за рамками Стандартной Модели физики элементарных частиц - осцилляции нейтрино, а так же дефицит солнечных электронных и атмосферных мюонных нейтрино могут быть объяснены существованием конечной массы у нейтрино. Хотя Стандартная модель и описывает поведение элекгрослабых и сильных взаимодействий в хорошем соответствии с экспериментальными результатами, она требует многих входных параметров, таких, как массы элементарных частиц и константы взаимодействий. Они не могут быть выведены из теории и нуждаются в экспериментальном определении. Тот факт, что Теория Великого Объединения будет существовать с большей симметрией, указывает на то, что Стандартная модель является не более чем приблизительной теорией в диапазоне низких энергий.
Современные модели Великого Объединения могут объяснить данные наблюдения и допускают существование массы у нейтрино в диапазоне 1-2 эВ [1]. Другие модели, также используемые для объяснения недостатка солнечных нейтрино, при использовании механизма Бее-заху приводят к существованию у нейтрино масс порядка 0.1-1 эВ [2], [3].
Существуют веские указания на отклонения от Стандартной модели и на наличие у нейтрино ненулевой массы в неускоритсльных экспериментах последних лет - Super-Kamiokande [4], Sudbury Neutrino Observator}' (SNO) [5], CAMLAND, SAGE, GALLEX.
На сегодняшний день проводится несколько десятков различных экспериментов, которые могли бы обнаружить ненулевую массу нейтрино.
Один из них проходит начиная с 1983 года на экспериментальной установке «Троицк ню-масс», созданной в Институте ядерных исследований РАН. На этой установке проводятся регулярные измерения бета-спектра трития вблизи граничной энергии с целью поиска массы покоя электронного антинейтрино.
Полученные результаты дают лучший в мире на данный момент верхний предел на массу электронного антинейтрино в прямых бета-распадных экспериментах и указывают на возможное существование аномалии в бета-спсктре трития вблизи граничной энергии [6].
Данная работа состоит из трёх глав, в первой из которых дан исторический обзор экспериментов по поиску массы нейтрино, во второй более подробно описана установка «Троицк ню-масс», а в третьей рассматриваются основные принципы построения системы сбора данных этой установки. Так же обсуждаются вопросы, возникающие при первичной обработке полученных результатов эксперимента.
Глава I. Эксперименты по поиску массы нейтрино.
Все эксперименты по поиску массы нейтрино можно условно разделить на две основные группы - это прямые эксперименты
1) Основанные на кинематике распадов,
2) Основанные на наблюдении нейтрино от сверхновых звезд,
и косвенные, которые, в свою очередь, идут по следующим направлениям:
1) Осцилляции нейтрино,
2) Попытка обнаружения безнейтринного двойного бета - распада.
В прямых кинематических экспериментах верхний предел на массу электронных нейтрино получают при исследовании бета-спектра электронов. Обычно изучается бета-спектр электронов от распада трития вблизи граничной энергии. В этих экспериментах получены ограничения на массу электронного нейтрино л7ц,<2.05эВ [7] (Троицк, 2003). Имеются
перспективы для достижения чувствительности к тп, < 0.2 эВ в проекте KATRIN [8].
Верхний предел на массу мюонных нейтрино получают из измерений импульса мюона при распаде пиона (к—в состоянии покоя. В настоящее время получены ограничения mVfJ< 190 кэВ и есть идеи, как можно улучшить это ограничение в 20 раз в BNL (g-2) эксперименте.
Верхний предел на массу тау-нейтрино определяют при измерении суммарной массы заряженных частиц вблизи граничной энергии в распаде т —► ЗтС + 2п + уг и сейчас достигнут предел mvz< 15.5 МэВ. Имеются перспективы улучшения этого результата примерно в 5 раз в экспериментах на В-фабриках.
Для начала рассмотрим подробнее текущее положение дел в основных направлениях косвенных экспериментов.
1.1 Осцилляции нейтрино.
В 1967 году Бруно Понтекорво поднял вопрос о значении нейтринных осцилляций (и соответственно масс нейтрино) для нейтринной астрономии Солнца [9]. Он показал, как можно объяснить дефицит числа регистрируемых солнечных нейтрино но сравнению с расчётом, который был ранее установлен Р. Дэвисом и Дж. Бакалом. В результате проведения эксперимента по измерению потока нейтрино от Солнца, он оказался примерно в три раза меньшим, чем предсказывает Стандартная Солнечная Модель.
Предположим, ЧТО Ve° И второе нейтрино Уа° (например v(l = v") являются смесью двух состояний Vi и v2 имеющих массы т/ и т2 и угол смешивания в. Если в момент времени t = 0 рождается состояние Ve°=COS0V]+Sin0V2 9 ТО к моменту времени t мы будем иметь
Уе° = COS 0Vie l£/+sin 0v2 >E2
m}t mh
-i - i z
«COS OVj e +sin0v2e
После прохождения расстояния L вероятность
P( Ve—>Va)= I ( Va I ve°(t)) 12=sin22 Os in2
Am L 4 E
=sin22 0 sin2
r\21Am\eV2)L(m)
{ Е(МеУ)
(где Ат2 = т2х -т\ в эВ2 , Е- энергия нейтрино в МэВ и 1 в метрах) перехода в уа° (это можно наблюдать, например, в процессе у^-н>аА7'), и вероятность того, что состояние останется уе° \ Р (Уе->Уе) = 1-Р(\'е->Уег),. В экспериментах по поиску осцилляций нейтрино пытаются либо зарегистрировать появившиеся уау либо зафиксировать ослабление первоначального потока уе.
- Київ+380960830922