Введение к работе
Актуальность проблемы. Возникшая более 60 лет назад из астрономических наблюдений ротационных кривых спиральных галактик, гипотеза о существовании темного вещества во Вселенной на сегодняшний день оказалась на стыке космологии, астрономия, астрофизики и физики элементарных частиц. В предположении плоской Вселенной кинематические и динамические методы определения количества вещества обнаруживают, что излучающее вещество составляет лишь малую часть от критической плотности (меньше 0,01) и доля темного вещества превосходит вклад излучающей материи почти в десять раз.
Вся совокупность экспериментальных данных наилучшим эбразом согласуется с моделью смешанного состава темного вещества, где барионная часть не превышает 10% и небарионное темное вещество содержит две компоненты: нерелятшшетскую '"холодную") и релятивистскую ("горячую") в соотношении 3:1.
Нейтралпно, как легчайшая суперсимметричная частіша в минимальном расширении стандартной модели, представляется предпочтительным кандидатом на роль частицы холодной тем-юй материи, поскольку ее реликтовая плотность соответствует зеличпне 0,025 < Qxh2 < 1. Нижний предел связан с условием обеспечения плотности темного гало галактик, верхний предел жвпвалентен ограничению на возраст Вселенной (не менее 1012 ют).
Совокупность результатов различных методов поиска супер-:имметричных частпц приводят к ограничениям допустимой области масс и пространства параметров минимальной суперсим-іетрпчной модели (МССМ), где легчайшая суперсимметричная [астица может быть доминирующей компонентой гало Галак-ЧІКИ. Ожидается, что следующее поколение детекторов, как и тращивание экспозиции уже действующих установок, позволит делать более определенные выводы о суперсимметричной композите темного гало. В области исследования нейтринного сигнала it аннигиляции нейтралпно в ядре Земли и ядре Солнца любые ювые ограничения на поток нейтрино на подземных установках гредставляют огромный интерес. Одной из установок, на которой
проводится такой эксперимент, является Баксанскиїі подземный сцинтиллядионный телескоп (БПСТ).
Цели представляемой диссертации:
1. Провести анализ углового распределения нейтриш-іьіх собы
тий на Баксанском подземном сдинтилляцпонном телескопе в ко
нусе направлений на предполагаемые источники: Солнце и ядро
Земли п получить ограничения на избыток событий.
2. Показать возможности Баксанского подземного синнтил-
ляционного телескопа по регистрации нейтринного сигнала от
аннигиляции нейтралино в Солнце и Земле, для чего:
решить задачу прохождения мюонного нейтрино я антинейтрино с энергией в диапазоне 1 ГэВ - 108 ГэВ через вещество Солнца н Земли;
вычислить скорости аннигиляции нейтралино, как легчайшей сулерсимметричной частицы, в ядре Солнца и ядре Земли в рамках минимальной суперсимметричной модели;
вычислить дифференциальный спектр мюопных нейтрино и антинейтрино от распада продуктов аннигиляции нейтралино в Солнце и Земле.
3. Получить ограничения на поток мюонов, генерированных
нейтрино от аннигиляции нейтралино в Солнце и в центре Земли.
и области в пространстве параметров минимальной гуперсимме-
трпчной модели, где нейтралино исключается как доминирующая
компонента гало нашей Галактики.
Новизна работы. При исследовании отклика Баксанского подземного сщштплляшюнного телескопа на сигнал от предлагаемой теорией аннигиляции нейтралино впервые получены ограничения на поток мюонов в направлении на Солнце и ядро Земли на большом статистическом материале, с учетом углового распределения регистрируемых нейтринных событий и ожидаемого числа мюонов от атмосферных нейтрино. Установлены ограничения на параметры минимальной суперсимметричной модели, являющиеся на сегодняшний день наиболее сильными. Задача прохождение мюонного нейтрино с энергией в диапазоне 1 ГэВ -10s ГэВ чере: плотное вещество решалась двумя способами: численно метопе»: итераций и симуляцией событий методом Монте-Карло. Показана эффективность аналитического метода в задачах с малым числох
поколений вторичных частиц. Впервые продемонстрирован парадоксальный на первый взгляд факт, что в области сверхвысоких энергий потери энергии нейтрино за счет взаимодействий через нейтральные токи приводят в конечном итоге к увеличению вероятности регистрации этпх нейтрино после прохождения ими больших толщ вещества.
Практическая и научная значимость работы. Экспериментальные критерии отбора нейтринных событий, регистрируемых на Баксанском подземном ецпнтплляпионном телескопе, сравнивались с симулированными нейтринными событиями атмосферного происхождения, и в результате было получено согласие в пределах 4% статистической ошибки и 8% систематической. Реализация алгоритмов прохождения нейтрино с энергией в диапазоне 1 ГэВ -108 ГэВ через плотное вещество позволяет корректно учесть энергетические потери нейтринного потока в реакциях с нейтральными токами при определении вероятности регистрации мюона, рожденного вблизи установки от конверсии нептрпно, для любого спектра нейтрино. Из сравнения экспериментального числа мюонов, пришедших в направлении на Солнце и центр Земли, и ожидаемого числа от атмосферных нейтрино установлены верхние пределы на 90% п 95% доверительном уровне на допол-нптельное число мюонов в направлении на эти предполагаемые источники нейтрино. Полученные верхние пределы г:а мюонные потоки позволили установить ограничения на скорости аннигиляции нейтралино в ядре Земли п ядре Солнпа. Из сраанения вычисленных ожидаемых потоков мюонов от нейтринных спектров, генерированных в процессах двухчастичного распада продуктов аннигиляции нейтралино с массой в диапазоне 50 ГэВ/с2 - 5 ТэВ/с в ядре Земли и ядре Солнца, с экспериментальными верхними пределами на мюонные потоки получены области в пространстве параметров МССМ, где легчайшее нейтралино исключается как доминирующая компонента галактического гало по данным Баксанского подземного сшшгплляцпонного телескопа.
Апробация работы. Основные результаты, приведенные в диссертации, докладывались на Международной конференции по теоретическим проблемам подземной физики /Испания, Толедо,
1995 г./, на Международной конференции по космическим лучам /Италия, Рим, 1995 г./, на Международной конференции по темной материи /Франция, Блуа, 1996 г./, на Международной конференции по проблемам темной материи" в астрофизике и физике частиц /Германия, Гейдельберг, 1996 г./, а также на семинарах отдела ЛВЭНА и лаборатории НАВЭ ИЯИ РАН.
Публикация и объем работы. Основные результаты диссертации опубликованы в.8-ми работах. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и приложения, содержит 157 страниц, включая 57 рисунков, 7 таблиц и список литературы из 160 наименований.
Основные положения, выносимые на защиту:
-
Не обнаружено значимого превышения числа мюонов, регистрируемых на БПСТ в направлении на Солнце и центр Земли, по сравнению с ожидаемым числом от атмосферных нейтрино. Верхние пределы на дополнительные потоки мюонов. приходящие в направлении на Солнце и ядро Земли, установлены на 90% п 95% доверительном уровне в зависимости от величины угла раствора.
-
Показано, что количественно правильный учет энергетических потерь нейтрино за счет взаимодействий через нейтральные токи необходим в расчете прохождения нейтринного потока с энергией ГэВ - ТэВ в Солнце и с энергией выше 106 ГэВ в Земле.
-
Вычислены дифференциальные спектры ыюонных нейтрино и антинейтрино от двухчастичного распада продуктов аннигиляции нейтралпно в Солнце и Земле и показано, что форма спектров в основном зависит от массы нейтралпно.
-
Получены вероятности регистрации мюона на БПСТ от пары аннигилирующих нейтралпно в Солнце и в ядре Земли и величина угла раствора конуса, в котором содержится 90% регистрируемых мюонов, в зависимости от массы нейтралпно. Показано, что разброс этих величин невелик при вариации параметров МССМ.
-
Установлены экспериментальные ограничения на поток мюонов, генерированных нейтрино от предполагаемой теорией аннигиляции нейтралино в Солнце и в Земле, ограничения на ве-
пчину скорости аннигиляции нейтралішо в ядре Солнца и ядре емлп и области пространства параметров МССМ, где нейтрали-э псключается как домпніфующая компонента гало Галактики, з данным БПСТ на 90% доверительном уровне.
