Добавил:
okley
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Физика нейтрино (2 сем, мага) / Лекция 10
.pdf
Преимущества детектора
сделанный на основе твердого
пластмассового сцинтиллятора,
детектор не имеет ограничений на
размещение вблизи
промышленных реакторов;
будучи установленным в 10
метрах под реактором ВВЭР1000,
он облучается рекордно высоким
нейтринным потоком – 5×1013
1/см2/с;
прикрытый сверху большой
массой водородсодержащего
вещества (~50 м водного
эквивалента), он не подвержен
воздействию адронной
составляющей космического фона;
Эксперимент DANSS (расстояние от ядра реактора до детектора от 10,7 до 12,7 м) не наблюдает
исчезновения электронных нейтрино и исключает большую область осцилляционных параметров,
предпочтительных для «аномальных» результатов галлиевых и предыдущих реакторных
экспериментов с короткой базой.
Поиск стерильных нейтрино на Ice Cube
Нейтринная обсерватория Ice Cube располагается в Антарктиде– прямо у Южного полюса Земли.
Детекторы телескопа в виде 86
гирлянд располагаются на глубине от
1450 до 2450 метров, каждая такая
гирлянда имеет 60 фотоумножителей.
Проект получил название «ледяной куб».
Объем регистрации черенковского
излучения составляет 1 кубический
километр. ФЭУ регистрируют
черенковское излучение мюонов высокой
энергии, движущихся из-под земли.
Такие мюоны могут рождаться только
при взаимодействии мюонных нейтрино,
прошедших сквозь Землю, с электронами
и нуклонами льда.
Первой целью IceCube была регистрация максимально высокоэнергетических
нейтрино, которые могли поместиться в его детекторе.
Летом 2013 года коллаборация
сообщила первый результат: в данных первых
двух лет работы были обнаружено целых два
нейтринных события с энергией больше
1 ПэВ.
Атмосферных нейтрино с такой
энергией уже не должно было оставаться;
вероятность того, что эти два нейтринных
события были атмосферного, а не
астрофизического происхождения, составляла
меньше процента. Однако для абсолютно
надежного сообщения об открытии
астрофизических нейтрино этих двух
примеров недостаточно..
Нейтринная обсерватория IceCube, пыталась найти
следы "стерильных" нейтрино с массой в примерно 1 эВ,
наблюдая за потоком космических мюонных нейтрино,
проходящих через недра Земли при движении в сторону
открытого космоса.
Если нейтрино с такой массой действительно
существуют, то часть мюонных антинейтрино, рождающихся
в верхних слоях атмосферы, будет превращаться не в
электронные или тау-нейтрино, а в "стерильные нейтрино",
если их энергия будет достаточно высокой. В результате этого
число заряженных частиц с подобной энергией, которые они
порождают, должно заметным образом снизиться
по сравнению с менее "энергичными" частицами.
Коллаборация IceCube попыталась найти следы подобной
"пропажи" антинейтрино в данных, которые обсерватория
собирала при наблюдениях за частицами, чья энергия не превышала 20 ТэВ.
После анализа 100,000 нейтринных событий, за которыми наблюдали на протяжения десятилетия,
физики объявили, что им не удалось подтвердить связь результатов с существованием
стерильных нейтрино.
Следов подобной потери антинейтрино найти не удалось, что говорит о том, что
"стерильные" нейтрино с массой примерно в 1 эВ, не существуют с вероятностью в 99%.
В последнее время интерес к поискам стерильных нейтрино сильно вырос. Родилось
множество проектов, нацеленных на поиски четвертого нейтрино. Кроме того, недавно получено
космологическое значение числа типов нейтрино, основанное на экспериментальном наблюдении
соотношения первичного количества 4Не в галактиках]. Получены значения числа типов нейтрино 3.7-3.8
вместо 2.99, величины, которая следует из распада Z0 бозона.
Эксперименту NEOS (южная Корея) удалось измерить электронные нейтрино с большой
точностью и низкими фоновыми сигналами. Однако стерильные нейтрино не были
обнаружены. Результаты также показывают, что необходимо установить новые пределы для
обнаружения стерильных нейтрино, поскольку колебания, которые превращают электронные
нейтрино в стерильные нейтрино, вероятно, меньше, чем показано ранее. «Эти результаты не
означают, что стерильных нейтрино не существует, но их сложнее найти, чем того, что
считалось ранее», - поясняет один из авторов этого исследования.
“Эксперименты, результаты которых, можно трактовать как наличие
осцилляционных переходов в стерильное состояние.
Эти эксперименты можно разделить на три группы:
1. эксперименты на реакторах. Реакторная антинейтринная аномалия. The ratio of measured
to predicted number is 0.943 ± 0.022.
2. калибровочные эксперименты на установках по измерению потока солнечных нейтрино.
(0.87±0.05).
3. ускорительные эксперименты. LSND and MiniBooNE.
в пучке
е
превышение 6σ.
Первые две группы относятся к экспериментам на исчезновение и не отличаются
высокой чувствительностью.
Третья группа – на появление, должна отличаться достаточно высокой
чувствительностью.
Во всех группах пока не хватает статистической точности, чтобы уверенно
констатировать наличие осцилляций в стерильное состояние
В эксперименте SAGE около 25% мишени облучалось источниками нейтрино на
основе изотопов 51Cr и 37Ar. В эксперименте GALLEX дважды использовался
источник нейтрино на основе изотопа 51Cr для облучения всей мишени. Оба
источника испускают практически моноэнергетические нейтрино с энергией близкой к
энергии солнечных Be нейтрино
В эксперименте SAGE использовалась мишень из металлического
71Ga,плотность которого значительно выше, чем в GALLEX ,у которого мишенью
является раствор хлорида Ga в соляной кислоте. Поэтому, хотя активности источников
отличались в 3 - 4 раза и массы мишени в2-3 раза в пользу GALLEX, общее
количество галлия в эксперименте SAGE больше, так что статистические
неопределенности экспериментов имеют близкие значения.
Средневзвешенное значение результатов четырех экспериментов, выраженное
как отношение измеренной скорости образования 71Ge к ожидаемой, полученной из
измеренной активности источника и известного сечения захвата нейтрино на Ga, более
чем на два стандартных отклонения меньше единицы.
Причиной дефицита нейтрино в калибровочных 71Ga экспериментах может быть
как статистическая флуктуация, вероятность которой мала, около 5%, так и реальный
физический эффект – возможный переход активных нейтрино в стерильные состояния
на очень коротких расстояниях с большими Δm2.
Эксперимент LSND проводился в 90-х годах в Лос-Аламосе. Его целью было
исследование осцилляций мюонных нейтрино в электроные. Для этого использовался
линейный протонный ускоритель с энергией протонов до 800 МэВ, производящий в
мишени положительные пионы, которые, распадаясь в мюоны, а затем в позитроны,
производили мюонные нейтрино и антинейтрино, а также электронные нейтрино.
Детектор представлял из себя цилиндр, заполненный минеральным маслом (167 т)
со сцинтилляционной добавкой PBD для регистрации нейтронов от захвата нейтрона на
водороде (2,мэв). На стенках цилиндра расположены 1220 ФЭУ Hamamatsu с диаметром
фотокатода 8’’.
Результатом эксперимента стало обнаружение избыточного числа
электронных нейтрино и антинейтрино. Превышение ожидаемого количества
событий выходило за рамки двух стандартных отклонений. Результаты - sin2 2 =
00.1 и m 2 > 0.01 эВ2 .
Для проверки результатов эксперимента LSND был предложен эксперимент
MiniBOONE в Фермилаб в 1997 году. Использовался пучок протонов, ускоренных до 8
ГэВ. При этом энергия нейтрино 0.1 < E <1 GeV.
Расстояние, на котором установлен детектор от места рождения нейтрино,
составляло около 500 м. Детектор имеет сферическую форму диаметром 12.2 м,
заполненную 818 т минерального масла. Всего установлено 1280 ФЭУ.
В нейтринном канале → e эффект, наблюдаемый детектором LSND, не
подтвердился. В антинейтринном канале, эффект подтвердился. По-прежнему
наблюдалось превышение числа электронных антинейтрино в потоке. Превышение
составило 57.7 ± 28.5.
Группа MiniBooNE заново рассчитала «избыток» электронных нейтрино
и антинейтрино, включив в анализ данные, собранные в 2013–2017 годах.
В результате статистическая значимость эффекта выросла до 6 сигма. Этот
результат указывает на существование стерильных нейтрино, которые могли
увеличить частоту осцилляций.
Тем не менее, авторы не спешат заявлять о стопроцентном подтверждении
теории стерильного нейтрино.
Наблюдаемый избыток событий все еще можно списать на другие, более
экзотические теории. Например, одна из гипотез утверждает, что «лишние» вспышки
в детекторе могут производить нейтральные пионы, которые тоже рождаются при
рассеянии нейтрино и распадаются на фотоны. Эти вспышки очень похожи
на вспышки от заряженных частиц, и их можно перепутать. Впрочем, группа
MiniBooNE учла эту возможность, оценила вклад от нейтральных пионов и показала,
что он не может объяснить такое сильное отклонение.
Тем не менее, уверенно об этом можно будет говорить только тогда, когда вклад
нейтральных пионов будет независимо изучен на других детекторах, например, DUNE.
Deep Underground Neutrino Experiment (DUNE) — планируемый эксперимент по
изучению осцилляций мюонного нейтрино в другие типы нейтрино.
Конструкция детектора эксперимента рассчитана на четыре модуля жидкого аргона
объемом по 10 килотонн каждый. Первые два модуля будут завершены в 2024 году. Пучок
нейтрино Фермилаб. Свойства пучка будут изучать два нейтринных детектора: ближний,
расположенный в Фермилаб, и дальний, расположенный на расстоянии 1300 км
в Сэнфордской лаборатории. Задачами эксперимента являются:
изучение иерархии масс трёх состояний нейтрино;
изучение механизма, посредством которого нейтрино приобретают массу;
поиск проявлений нарушения CP-инвариантности.
Типичный реактор ВВЭР-1000 размером 3 метра и тепловой мощностью 3 гигаватта
(3 ГВт = 2·1022 МэВ/сек).
Детектор расположен на расстоянии10 метров от центра активной зоны. Рабочее
22
вещество пластиковый сцинтиллятор (концентрация атомов водорода n =10
Сечение обратного бета-распада. 10
Оцените размер нейтринного детектора, который позволит в течение часа почувствовать сильно
неоднородное выгорание топлива в активной зоне реактора.
Решение
–42
см2.
см
–3
).
Посчитать разницу в потоках нейтрино и точность с которой ее можно измерить в
детекторе 1 кубометр.
Найдем поток нейтрино. Переводя джоули в электронвольты, получим, что
энерговыделение 3 ГВт = 2·1022 МэВ/сек. Значит, в реакторе за секунду происходит
1020 актов деления ядер урана и испускается 5·1020 антинейтрино. Кубический детектор
со стороной метр на удалении 10 метров от центра реактора,
перехватывает1 м2 / 4π(10 м)2 ≈ 1/1000 долю от всего потока; значит, в него ежесекундно
попадает 5·1017 антинейтрино.
Длина свободного пробега L = 1/nσ. Для твердых веществ концентрация атомов
водорода n близка 1022 см–3. Тогда вместе с сечением 10
–42
см2 длина свободного
пробега L = 1020 см. Поскольку детектор составляет в 1 метр в глубину, то вероятность
взаимодействия одного нейтрино равна P = 10
–18
.
Перемножая полученные числа для потока нейтрино и вероятности взаимодействия,
получаем в среднем одно нейтрино в две секунды в детекторе размером в 1 кубометр.
Это дает почти 2 тыс. нейтринных событий в час, так что величина 1/√N составляет
примерно 2%.
Таким образом, за час такой детектор сможет надежно регистрировать 10% отклонение
в потоке нейтрино.
Рассмотрим теперь два детектора, стоящих с противоположных сторон реактора
(рис. 2). Если топливо в активной зоне вырабатывается сильно неравномерно, то есть
существенно ближе к детектору A (например, на метр), то он почувствует больший
поток нейтрино, чем детектор B. Разница между показаниями двух детекторов составит
десятки процентов. Такая разница для детекторов метрового (и даже чуть меньшего)
размера будет статистически значимой.
Таким образом, при выбранных параметрах несколько детекторов размером
порядка 1 м3 смогут в течение часа зарегистрировать сильно смещенное выгорание
топлива по объему реактора.
.
.
Соседние файлы в папке Физика нейтрино (2 сем, мага)