Экспериментальный поиск явлений, выходящих за Стандартную модель, при низких энергиях Дербин, Александр Владимирович

Введение к работе

Актуальность темы. Стандартная модель электрослабого взаимодействия успешно описывает подавляющее большинство экспериментальных результатов. Однако собственные проблемы Стандартной модели, связанные, в первую очередь, с большим числом свободных параметров, не обнаруженные до сих пор частицы Хиггса, неясность природы холодной темной материи и, наконец, проявление осцилляции атмосферных нейтрино, стимулируют многочисленные экспериментальные попытки обнаружить явления за ее пределами.

В частности, в физике нейтрино следует выделить 4 основных неразрешенных вопроса:

1. Каковы массы трех известных типов v_e, v_M, v_t нейтрино?

2. Совпадают ли собственные массовые и токовые состояния нейтрино?

3. Являются ли нейтрино и антинейтрино различными (дираковскими) или истинно нейтральными (майорановскими) частицами?

4. Насколько соответствуют величинам, предсказываемым Стандартной моделью, электромагнитные свойства нейтрино и его стабильность?

Существование массы у нейтрино естественно скажется на энергетических спектрах заряженных частиц, появляющихся в двух— и трехчастичных распадах с излучением нейтрино. Обнаружение осцилляции нейтрино также свидетельствовало бы о наличии у нейтрино массы и дало бы значение Дт².

Если нейтрино смешаны, то должны наблюдаться нейтринные осцилляции, активный поиск которых проводится как на реакторах и ускорителях, так и в экспериментах с атмосферными и солнечными нейтрино. Чувствительным к смешиванию оказывается и форма спектра заряженных частиц, регистрируемых в распадах с испусканием нейтрино.

Наиболее чувствительным тестом для проверки природы нейтрино является поиск двойного безнейтринного р — распада. Эти эксперименты позволяют ввести наиболее сильное ограничение на майорановскую массу нейтрино. В

принципе, природа нейтрино влияет и на кинематику реакций с участием нейтрино.

Электромагнитные свойства нейтрино естественно изучать по их взаимодействию с заряженными частицами. Исследование упругого рассеяния нейтрино на электроне является самым предпочтительным из —за малой, по сравнению с адронами, массы электрона и отсутствия формфакторов.

Таким образом, основными направлениями

экспериментов, которые позволят получить ответы на основные вопросы нейтринной физики являются: изучение формы р —спектров, поиск осцилляции нейтрино, поиск 2p0v — распада и прецизионное измерение сечения рассеяния нейтрино на электроне.

Цели и задачи работы. Диссертационная работа посвящена экспериментальному изучению таких реакций, как рассеяние реакторных нейтрино на электроне, бета —распад ядер ³Н, ⁶³Ni и ⁴⁵Са, двойной бета-распад ядер ⁷⁶Ge, ^I54Sm, ¹⁶⁰Gd, ¹⁷⁰Er и ¹⁷⁶Yb на возбужденные уровни дочерних ядер, ядерного магнитного перехода в 125мт;_{е и} рассеяние массивных частиц на ядрах, с целью поиска возможных отклонений от Стандартной модели.

Научная новизна. Основные результаты работы являются оригинальными и получены впервые.

В работе по измерению сечения рассеяния реакторных нейтрино на электроне, проводимой на Ровенской АЭС под руководством Попеко Л.А., впервые получено значение сечения для порога регистрации электронов отдачи 0.6 МэВ.

Установлены новые ограничения на магнитный момент нейтрино и на время жизни нейтрино относительно радиационного распада и распада с испусканием электрон — позитронной пары.

Проведены измерения р— спектров ядер ³Н, ⁶³Ni ⁴⁵Са с целью поиска вклада от массивного нейтрино. Получены новые ограничения на вероятность излучения тяжелого нейтрино в данных распадах.

Получены новые пределы для полупериода двойного бета-распада для ядер ⁷⁶Ge, ¹⁵⁴Sm, ¹⁶⁰Gd, ¹⁷⁰Ег и ^I76Yb на возбужденные уровни дочерних ядер.

Предложена методика поиска "невидимого" аксиона, излучаемого при ядерных магнитных переходах в изомерных

ядрах. Получен новый экспериментальный предел на вероятность излучения аксиона в Ml—переходе ^125тТе.

Измерены и проанализированы спектры сигналов от
кремниевого и германиевого полупроводниковых детекторов
на уровне моря при различных вариантах пассивной и
активной защиты. Получены новые ограничения на
возможные массы и сечения рассеяния

сильновзакмодействующих массивных частиц. Практическая ценность. В диссертационной работе предложены и реализованы новые методики постановки экспериментов при низких энергиях, которые могут быть использованы как при решении фундаментальных задач в физике элементарных частиц и атомного ядра, так и при решении прикладных задач, связанных с обнаружением и измерением малых концентраций радиоактивных ядер. В частности, уровень фона, достигнутый в низкофоновой установке на поверхности Земли позволяет обнаруживать гамма — активность ^Со на уровне 0.01 Бк. Предложенные и реализованные сборки кремниевых и германиевых детекторов, обладающее 4л—геометрией позволяют регистрировать все продукты р —распада ядер на основное состояние. Разработанные пакеты программ для анализа формы р —спектра и поиска пиков с малой интенсивностью в у —спектрах уже нашли практическое применение в МАГАТЭ. Апробация работы. Основные результаты, вошедшие в диссертацию, опубликованы в 24 работах и докладывались автором на 5— й Всесоюзной конференции по нейтронной физике (Киев, 1980 г.), на сессии Отделения ядерной физики АН СССР (Москва, 1983 г.), на XXXI Зимней школе ПИЯФ (Репино, 1997 г.), на научных семинарах института ядерных исследований (Киев, 1986 г.), института Лауэ—Ланжевена (ILL), (Гренобль, 1997 г.), национальной лаборатории Лос-Аламоса (LAMPF) (Лос-Аламос, 1997 г) и неоднократно в Петербургском институте ядерной физики им. Б.П.Константинова.

На защиту выдвигаются следующие основные результаты:

1. Показано, что сечение рассеяния реакторных нейтрино на электроне для интервала энергий электрона отдачи (0.6 — 2.0) МэВ составляет o(v,e) = (1.23±0.60)o_CM, где ст_см

сечение рассеяния в Стандартной модели, вычисленное для спектра реакторных нейтрино и Sin²9w = 0.23.

2. Из результатов экспериментов по измерению сечения рассеяния нейтрино на электроне, выполненных на реакторах Савана — Ривер, Ровно и Красноярска получено новое ограничение на магнитный момент нейтрино Цу 2 1.5-10^-10 ц_в (90% у.д.).

3. Показано, что время жизни массивного нейтрино, сильно связанного с электронным нейтрино (|U_eH|²«l), относительно радиационного распада v_H-»v_L-t-y больше, чем 200 сэВ^-1 (68% у.д.). Данный результат на порядок превышает достигнутый в предыдущих экспериментах.

4. Получено новое ограничение на вероятность излучения тяжелого нейтрино v_H с массой m_v > 2m_e в р —распаде осколков деления. Из отсутствия распада данного нейтрино с испусканием электрон — позитронной пары (v_H->v_L + e⁺+е), установлено, что |U_eH|² не превышает значения (Ю^-2 — 10^_3) для нейтрино v_H с массой в интервале 1.4 — 4.5 МэВ.

5. Измерен и проанализирован спектр электронов, возникающих в результате р —распада ядер ⁶³Ni, помещенных между двумя Si(Li) —детекторами. Для нейтрино с массой 17 кэВ получено новое ограничение на параметр смешивания |U_eH|² < 0.0015 (90% у.д.), превышающее достигнутое на магнитных спектрометрах.

6. Измерен В —спектр ⁴⁵Са с помощью Si (Li)—детекторов. Получены новые ограничения на параметр смешивания для тяжелых нейтрино с массой в интервале 75—100 кэВ (|U_eH|²^0.005 для 90% у.д.). Показано, что интенсивность монохроматического пика на конце р —спектра ⁴⁵Са не превышает 1.3 Ю^-7 распад^-1 (90% у.д.)

7. Из результатов измерения уровня фона HPGe—детектора получено новое ограничение на вероятность 2p(0v + 2v) — распада ядра ^7eGe на уровень 2⁺] ядра ⁷⁶Se: T]/₂S 1.110²¹ лет, что улучшает предыдущий предел в 3 раза.

8. Проведен поиск двойного бега— распада для ядер ¹⁵⁴Sm,
¹⁶⁰Gd, ^I70Er и ^,76Yb на возбужденный уровень 2⁺ дочерних
ядер. Установлены новые пределы на периоды полураспада
данных ядер на уровне 10¹⁸ лет.

9. Предложена новая методика поиска "невидимого" аксиона, излучаемого при ядерных магнитных переходах изомерных ядер. Экспериментально установлено, что при Ml—переходе ядра ^125тТе вероятность излучения аксиона й 1.3Ю-³ (90%у.д.).

10. Измерены и проанализированы спектры сигналов от кремниевых и германиевых детекторов на уровне моря при различных вариантах пассивной и активной защиты. Для сильновзаимодействующих массивных частиц получены новые нижние пределы на сечения рассеяния, на два порядка превышающие достигнутые в предыдущих экспериментах. Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 4 глав и заключения. Общий объем работы 188 страниц машинописного текста, включая 34 рисунка, 12 таблиц и список литературы из 305 наименований.

Похожие диссертации на Экспериментальный поиск явлений, выходящих за Стандартную модель, при низких энергиях

Методика статистического анализа данных при планировании экспериментов по поиску новых явлений в физике высоких энергийБитюков, Сергей Иванович

Мягкие адронные взаимодействия высоких энергий и дуальная партонная модельГапоненко, Олег Николаевич

Феноменологические ограничения на модель неупругих взаимодействий адронов с ядрами при энергиях выше 10'15 эВ по данным рентген-эмульсионных камерМухамедшин Рауф Адгамович

Двухкомпонентная модель для рождения адронов при столкновении частиц высокой энергииБылинкин Александр Александрович

Некоторые модели в описании реакций развала легких ядер при средних энергиях Шабалина Елизавета Константиновна

Модели и коды для описания характеристик деления ядер в реакциях с нуклонами средних и промежуточных энергийЯвшиц, Сергей Георгиевич

Поиск нейтрино сверхвысоких энергий и гипотетических частиц темной материи в экспериментах на Байкальском глубоководном нейтринном телескопе НТ-200Джилкибаев Жан-Арыс Магисович

Поиск локальных источников нейтрино высоких энергий по данным Баксанского Сцинтилляционного ТелескопаЗакидышев, Виктор Николаевич

Поиск гамма-всплесков высокой энергии на установках "Андырчи" и БПСТ БНО ИЯИ РАН Смирнов Дмитрий Владимирович

Бозе-Эйнштейновские корреляции в области энергий V-мезонов. Анализ методов поиска СР-нарушения на В-фабрикахБлинов, Александр Евгеньевич