Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Введение. 4
1.Нейтринный поток от Солнца по ССМ. 5
1.1 .Осцилляции нейтрино. 8
1.2. Диполъный момент нейтрино . 11
1.3.Распад нейтрино. 14
2.Детекторы солнечных нейтрино. 15
Глава 2. SAGE - описание эксперимента . 29
1. Схема эксперимента. 29
2. Пропорциональные счетчики . 32
3. Система регистрации. 39
4. Мертвое время. 44
5. Форма импульсов. 45
6. Отбор событий. 49
7. Временной анализ. 52
8. Хромовый эксперимент. 58
Глава 3. Скорость образования изотопов германия в фоновых процессах . 61
1. Скорость образования Ge. 62
1.1. Отбор событий Ge, 62
1.2. Эффективность отбора событий Ge. 64
1.3. Случайные совпадения. 67
1.4. Результаты. 67
2. Скорость образования Ge. 70
2.1. Отбор событий Ge. 70
2.2. Эффективность отбора событий 69Ge. 71
2.3. Результаты. 71
3. Возможность контрольных измерений. Эксперимент в ПСТ . 72
4. Выводы. 74
Глава 4. Влияние радона на измерения SAGE . 75
1. Измерения. 76
2. Розыгрыш спектров событий в счетчике. 81
3. Результаты. 90
Глава 5. Определение содержания Th в материалах счетчиков . 93
1. Регистрация распадов " "Th. 94
2. Эффективности. 98
3. Минимальный собственный фон. 100
4. Заключение. 102
Глава 6. Фон внешнего у-излучения в пропорциональных счетчиках . 103
1.Измерения. 104
1.1 .Интенсивность источников 104
1.2.Результаты 107
2 .Источники у-излучения 109
2.1 .Внешний радон 109
2.2. Излучение материалов защиты 111
3.Заключение 115
Заключение. 117
Список литературы 119
- Диполъный момент нейтрино
- Пропорциональные счетчики
- Возможность контрольных измерений. Эксперимент в ПСТ
- Излучение материалов защиты
Диполъный момент нейтрино
Другое возможное объяснение ПСН связывается с допущением о наличии у нейтрино заметного магнитного момента [45-54]. В этом случае взаимодействие нейтрино с магнитным полем Солнца может изменить спиральность нейтрино, вследствие чего резко уменьшается сечение взаимодействия нейтрино с мишенями детекторов. В присутствии вещества значительно изменяется вероятность переворота спина, которая зависит в этом случае не только от величины магнитного поля В, но также от плотности электронов Nu и нейтронов Nц в Солнце. В такой модели можно, подобрав соответствующие значения В , Nc и /V;; (либо независимым образом определив эти величины), уменьшить ожидаемую скорость регистрации нейтрино в детекторах до наблюдаемой величины. Однако в этой модели есть ряд существенных недостатков. Во-первых, такой механизм переворота спина должен работать одинаковым образом для нейтрино всех энергий. Между тем мы знаем, что фактор расхождения между наблюдаемой скоростью счета нейтринных событий и ожидаемой различается для разных экспериментов, что связывается обычно с энергетической зависимостью механизмов подавления измеряемой скорости счета. Во-вторых, теория электрослабых взаимодействий Вайнберга-Глешоу-Салама для Дираковских нейтрино предсказывает исчезающе малый дипольный магнитный момент: /г/; 3-1СГ19 в (juB - магнетон Бора). В то же время у Майорановских нейтрино вследствие сохранения СР -четности дипольных моментов вообще быть не может [47]. Считается, что поле в конвективной зоне Солнца не может превышать -3-Ю5 Гс, и оно меняется с периодом солнечной активности (11 или 22 года). Кроме того, отдельные авторы допускают существование в центре Солнца "вмороженного" поля 107 Гс [45]. Таких полей совершенно недостаточно для сколько-нибудь заметного взаимодействия с магнитными моментами M MD.
Однако в случае несохранения лептонного аромата нейтрино могут иметь недиагональные (или переходные) магнитные моменты. (Такие магнитные моменты могут быть причиной, например, излучательных распадов нейтрино типа v2 - v{ +у.) В этом случае взаимодействие с магнитным полем может приводить к т.н. спин-ароматной прецессии, т.е. к одновременному изменению направления спина частицы и ее ароматного состояния. Для объяснения дефицита детектируемых нейтрино от Солнца достаточно, чтобы Вероятность прецессии зависит уже от энергии нейтрино и опять же ОТ разности масс между собственными массовыми состояниями Am2. При распространении нейтрино в веществе вероятность Д - v ) имеет Am выраженный резонансный характер в зависимости от и эффективной плотности вещества Ne/r = N N - Y для Псковских нейтрино формульІ5 Ne - Nп, для Майорановскш нейтрино описывающие вероятности переходов в условиях резонансной спин ароматной прецессии и при резонансном усилении осцилляции в веществе (МСВ-эффект), очень похожи, поскольку обе задачи в простейшем случае двухкомпонентного описания сводятся к квантово-механической задаче двухуровневой системы во внешнем поле, т.е. к уравнению Шредингера соответствующие нейтрино в точке г; Е, и Е1. - энергии нейтрино в отсутствие смешивания; Vit - смешивающее взаимодействие.
Важным следствием такого решения ПСН является временная зависимость детектируемой скорости счета нейтрино, соответствующая циклу солнечной активности. Такая зависимость должна проявляться в первую очередь в детекторах, регистрирующих низкоэнергичные нейтрино, т.е. в галлиевых и частично в хлорном детекторах. Собственно развитие этого направления решения ПСН было связано с некоторыми указаниями на возможную корреляцию скорости счета хлорного детектора Дэвиса с количеством солнечных пятен [19]. Однако дальнейшие измерения такую корреляцию не подтвердили. Галлиевые данные также не подтверждают предположения о вариациях нейтринного потока от Солнца [22]. Тем не менее, тема эта не закрыта; ставятся (и готовятся) различные эксперименты по обнаружению магнитного момента нейтрино в лабораторных условиях [55-56].
С некоторых пор задача экспериментов по регистрации солнечных нейтрино изменилась: от исследования свойств Солнца экспериментаторы перешли к исследованию свойств нейтрино, т.е. к физике элементарных частиц. Обнаружение магнитного (или электрического) момента у нейтрино позволит вернуться к исследованию свойств Солнца: дело в том, что современные модели Солнца не описывают образование и поведение магнитных полей в Солнце. Многие авторы предостерегают от жесткой привязки магнитных полей в конвективной зоне Солнца к количеству солнечных пятен [47]. Поэтому более внимательный поиск временных вариаций (зависимостей) скорости захвата нейтрино в галлиевых экспериментах мог бы помочь построить модели формирования и профили магнитных полей в Солнце.
Пропорциональные счетчики
Точное определение параметров смешивания для солнечных нейтрино (точнее, для электронных нейтрино) должны дать новые эксперименты, такие, как например, KamLAND [97-99]. Этот реакторный эксперимент, подготовленный в Японии, чувствителен к параметру Am2 в области 10" -10 эВ , т.е. LMA-решения. Результаты этого эксперимента ожидаются в ближайшее время. (Первые результаты этого эксперимента получены совсем недавно и, как ожидалось, подтвердили LMA-решение [100-102].) Одновременно в стадии подготовки находятся несколько экспериментов -реакторных и ускорительных, - которые нацелены на измерение параметров Д/?г для различных вариантов смешивания нейтрино [29,61-64,74-76].
Знание параметров смешивания нейтрино возвращает солнечные нейтринные эксперименты к их первоначальной задаче - детектированию нейтринного излучения Солнца с целью исследования внутреннего строения звезд, в том числе механизмов формирования электрических и магнитных полей в звездах. И здесь на первый план выходят детекторы, имеющие возможность регистрировать нейтрино низких энергий, т.е. в первую очередь галлиевые детекторы [50]. Как указывалось ранее, низкоэнергичные нейтрино в большей степени должны быть подвержены влиянию магнитного поля Солнца, если нейтрино имеют магнитный момент. Скорость счета галлиевых детекторов должна при этом меняться в соответствии с изменением магнитных полей в Солнце. Авторы работ [103-104] утверждают, что они видят вариации скорости счета галлиевых детекторов, причем отдельные моды этих вариаций совпадают с вариациями количества солнечных пятен. Утверждалось также о корреляциях галлиевых данных с данными спутника SOHO. К сожалению, авторы этих работ, видимо, ошибаются относительно масштабов вариаций скорости захвата нейтрино в галлии вследствие недостаточного знакомства с техникой выделения сигналов в радиохимических детекторах. Тем не менее, задача поиска таких корреляций является одной из первостепенных задач радиохимических детекторов.
Блестящие результаты экспериментальных исследований нейтринного излучения Солнца последнего времени оставляют, тем не менее, еще немало вопросов, касающихся многих деталей "работы" Солнца. Например, очень интересной задачей кажется экспериментальное определение соотношения между скоростями реакций рр-цепи и цепи CNO, идущимим в Солнце. Небольшие энергии нейтрино, рождающихся в реакциях CNO-цикла, делают их доступными для наблюдения только в радиохимических детекторах, в частности, в галлиевых [105].
Измерения галлиевых детекторов могут также послужить для определения параметров смешивания нейтрино. Например, известно, что KamLAND, который обладает большой чувствительностью к параметру Am2, другой параметр (в) определяет очень плохо. Вместе с тем галлиевые измерения могут дать в области LMA хорошее ограничение именно по параметру 9 [102]. В работе [106] предлагается возможность проверки LOW-решения по разности скоростей счета галлиевых детекторов зимой и летом, по аналогии с эффектом "день-ночь", который рассматривался выше для СНО. По этой разности значения Д/?г и в в области LOW могут быть определены с большой точностью. Конечно, точность эта сильно зависит от точности измерений скорости счета галлиевых детекторов.
Вместе с тем основной задачей измерений SAGE остается определение абсолютного значения нейтринного потока от Солнца, и в первую очередь, потока рр-нейтрино с максимально возможной точностью. В свою очередь точность измерения радиохимических детекторов в большой степени зависит от фоновых условий измерений. Определение этих условий т.о. является важной задачей радиохимических экспериментов. Целью представляемой диссертации является определение на основе экспериментальных измерений вклада различных источников фона в систематическую и статистическую неопределенность результата SAGE.
Новизна работы. Методы, которыми исследовалось влияние фоновых процессов, были впервые использованы в применении к радиохимическим экспериментам. Впервые фон радиохимического эксперимента определялся прямыми измерениями с минимальными модельными допущениями.
Практическая и научная ценность работы. 1.Проведенные исследования влияния радона на процессы счета количества распадов 71Ge в пропорциональных счетчиках позволили снизить систематическую ошибку результата измерений скорости захвата солнечных нейтрино в металлическом галлии в эксперименте SAGE, связанную с «внутренним» радоном, в 15-20 раз и вывести ее на уровень других систематических неопределенностей.
Точность результатов экспериментов по регистрации редких событий значительно повышается при проведении прямых измерений фоновых условий проведения таких экспериментов. Результат SAGE сегодня составляет 70.8+;) J_5.2(cTaT.)+J _3.2(сист.) SNU, и систематическая неопределенность его позволяет проводить дальнейшие измерения с целью увеличения точности.
Возможность контрольных измерений. Эксперимент в ПСТ
Радиохимический галлиевый эксперимент SAGE выполняется Институтом ядерных исследований РАН совместно с рядом научных организаций США в лаборатории Галлий-германиевого нейтринного телескопа (ГГНТ), Баксанской нейтринной обсерватории ИЯИ РАН на Северном Кавказе. Цель эксперимента состоит в том, чтобы измерить скорость захвата солнечных нейтрино ядрами Ga. Эта величина прямо связана с абсолютным значением потока электронных нейтрино от Солнца и сравнивается со значением, полученным по ССМ с использованием спектра нейтрино и сечения взаимодействия нейтрино с мишенью [22,78].
Подземная лаборатория ГГНТ расположена внутри горы Андырчи на расстоянии 3.5 км от входа в горизонтальную штольню. Горные породы толщиной 2.5 км или 4700 м в.э. обеспечивают защиту от всех компонент космических лучей, в том числе значительное подавление мюонной компоненты. Измеренное значение потока мюонов в районе галлиевой мишени составляет 3.03±0.15 (с-см2)"1 [80,107-109].
Галлиевая мишень состоит из примерно 50 т чистого галлия, размещенного равным образом в 7 химических реакторах. Галлий в реакторах содержится в виде жидкого металла при температуре 31 С (температура плавления галлия составляет 29.8С). Радиохимические измерения носят циклический характер. Поток нейтрино определяется по количеству взаимодействий, которые нейтрино производят с галлием посредством реакций обратного 3-распада: 1 -71
Порог реакции составляет 233 кэВ и позволяет регистрировать нейтрино от всех источников, которые предполагаются по ССМ в Солнце, в том числе нейтрино от рр-реакций, которые определяют основное энерговыделение Солнца. Количество рр-нейтрино выше порога реакции составляет более половины от их общего количества.
Каждое измерение потока нейтрино в эксперименте SAGE начинается с добавления в галлий мишени лигатуры - небольшого количества галлия с равномерно распределенным в нем некоторым хорошо известным количеством (0.3-0.7 мг) стабильного германия-носителя. Лигатура растворяется в галлии мишени, после чего тщательным перемешиванием достигается равномерное распределение германия-носителя в жидком галлии. Изменение количества атомов Ge в мишени равно dn = dn+ -dn , где dn+ = Adt - увеличение количества атомов Ge за счет постоянной скорости захвата солнечных нейтрино; dn_ =-nMt - распад атомов Ge с постоянной распада Я (Д = —, Ti/2—11.43 сут). Через время 6 после начала экспозиции среднее количество атомов 71Ge, накопившихся в мишени, равно п(9) = щ -{\-е хв). Ожидаемая скорость захвата солнечных нейтрино ядрами галлия составляет 129 SNU [83]. Солнечная нейтринная единица 1 SNU соответствует 1 событию в мишени, содержащей 10 атомов взаимодействующего с нейтрино изотопа в 1 с. При содержании изотопа Ga в природном галлии 39.9 % скорости захвата 129 SNU соответствует скорость образования Ge 1.9 сут" в 50 т мишени. Т.е. при большом времени экспозиции (Ai9— со) среднее количество атомов 71Ge в мишени может составить около 32 атомов. В эксперименте экспозиция длится 4-6 недель, после чего образовавшиеся атомы 71Ge вместе с германием-носителем извлекаются из реакторов. Химические свойства изотопов германия одинаковы, поэтому эффективность извлечения Ge равна эффективности извлечения стабильного германия, которую можно узнать благодаря тому, что стабильного германия-носителя "макроскопическое" количество, 10 атомов.
Извлеченный из реакторов германий (носитель и 71Ge) переводится в газообразную форму GeH4 (моногерман) и помещается в пропорциональный счетчик. Молекулы моногермана обладают большой симметрией, не поляризуются, поэтому моногерман можно использовать в качестве гасящей добавки в пропорциональных счетчиках. Основным счетным газом в счетчиках служит ксенон, который имеет большой атомный номер (Z=54), вследствие чего сечения взаимодействия фотонов мягкого рентгеновского излучения, возникающих при восстановлении атомных оболочек при распаде Ge для Хе достаточно велики.
Излучение материалов защиты
Большая часть измерений SAGE была проведена с помощью счетчиков типа LA. В 2001 году в эксперименте стали использоваться счетчики третьего типа (YCT), разработанные и изготовленные В.Янцем в лаборатории РХМДН ИЛИ РАН (рис.4). Это цилиндрические кварцевые счетчики, катодом в которых служит тонкий углеродный слой, напыленный на внутреннюю поверхность кварцевой колбы из разлагающихся при высокой температуре паров гексана или ацетона. На торцах внутренний диаметр колбы плавно уменьшается до нуля, и анодная нить удерживается без применения дополнительных пробок. С одного конца нить закреплена на вольфрамовой пружинке, удерживающей ее в натянутом состоянии независимо от температуры около счетчика. Для уменьшения фона, связанного с распадом радиоактивных элементов в кварцевой оболочке счетчиков, при изготовлении счетчиков с помощью фосфорной кислоты кварцевая катодная колба стравливается с внешней стороны до толщины 150-200 мкм. Измерения показали, что при стравливании фоновая скорость счета уменьшилась сильнее, чем ожидалось в соответствии с уменьшением массы кварца, из чего можно сделать вывод о том, что технология изготовления кварцевых трубок такова, что тяжелые примеси в кварце (среди которых есть и уран и торий) локализуются на внешней стороне трубок.
Тонкие стенки счетчиков, а также отсутствие железного катода приводит к тому, что счетчик эффективно откликается на низкоэнергичное рентгеновское излучение (до 80 кэВ), которое возникает в районе установки счетчиков при взаимодействии с материалами защиты у-квантов, излучаемых радиоактивными примесями, содержащимися в этих материалах. Для исключения этого эффекта на установленные в защиту системы регистрации счетчики надеваются дополнительные индивидуальные защитные колпаки. После множества измерений по отбору материалов для этих колпаков лучшие свойства показали составные колпаки: оргстекло (или акрил) толщиной 3 мм, поверх которого надевается медный цилиндр толщиной 1 мм.
Счетчики YCT показали очень стабильные свойства, и фон их сравним с лучшими образцами счетчиков типа LA. В настоящее время все солнечные измерения проводятся с использованием только счетчиков типа YCT.
Калибровка счетчиков YCT производится источником Fe. Через тонкую стенку счетчика фотоны от источника "засвечивают" рабочий газ вдоль всей длины анода, поэтому проблемы полимеризации для таких счетчиков нет. Для проверки линейности усиления во всем измеряемом диапазоне энергий используются дополнительные калибровки источником 109Cd-Se, который излучает фотоны 1.4 и 11.2 кэВ. Другим преимуществом этих счетчиков является более высокая объемная эффективность по сравнению со счетчиками типа LA, что обусловлено двумя причинами: во-первых, здесь отсутствуют "мертвые" объемы между катодом и кварцевой колбой, и во-вторых, электрическое поле на концах счетчика выравнивается благодаря особенностям конструкции таких счетчиков.
Кроме того в этих счетчиках отсутствуют "карманы", в которых может задерживаться газ: когда производились прямые измерения эффективности счетчиков типа LA с применением большого количества газов, содержащих Ge, Ge и Аг, следы этих элементов проявлялись даже после многочисленных длительных откачек.
Пропорциональные счетчики, заполненные газовой смесью, содержащей германий, извлеченный из реакторов, устанавливаются в систему регистрации, которая организована таким образом, чтобы с максимально возможной эффективностью регистрировать распады Ge в счетчиках. Для этого использованы средства, подавляющие шумы и фоновые импульсы. Счетчики помещаются в пассивную защиту от внешних излучений -последовательные слои железа, свинца, меди, вольфрама. Внутри пассивной защиты счетчики помещаются в колодец кристалла Nal детектора активной защиты (рис.5). Одновременно в колодце Nal может быть размещено до 8 счетчиков. Импульсы от пропорциональных счетчиков усиливаются в зарядочувствительных предусилителях, расположенных вблизи счетчиков, и после идут на блоки основной стойки системы регистрации. Блоки АЦП системы регистрации определяют амплитуду импульсов (Е), а также амплитуду дифференцированных импульсов (ADP). Эти два параметра использовались для отбора событий, связанных с распадами 7IGe в предыдущих системах регистрации, а здесь эти блоки используются для запуска системы записи формы импульсов. Основной частью этой системы является цифровой осциллограф HP-54111D, вертикальная шкала которого разделена на 256 уровней и временная развертка установлена на 1024 не с записью через 1 не. Анализ формы импульсов позволяет надежно удалять события, вызванные шумом электроники и электрическими пробоями. Один осциллограф используется для записи формы импульсов со всех 8 каналов счетчиков. При регистрации очередного импульса со счетчиков информация с блоков АЦП Е и ADP направляется в компьютер и записывается в .р-файл, а с осциллографа - в .е-файл. В эти же файлы записывается время регистрации импульса (с точностью до 1 с).
