Экспериментальное исследование взаимодействия электронных антинейтрино с дейтроном на реакторе Ровенской АЭС тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.16 ВАК РФ

1 Российский научный центр «Курчатовский институт»

1 П м л Г» 'ПГ-0

1 и ЫА||

На правах рукописи УДК 539.13

НИКОЛАЕВ Сергей Васильевич

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ ЭЛЕКТРОННЫХ АНТИНЕЙТРИНО С ДЕЙТРОНОМ НА РЕАКТОРЕ РОВЕНСКОЙ АЭС

01.04.16 — физика ядра и элементарных частиц

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Москва—1993

Работе выполнена в Российском научном центре ""Курчатовский Институт"

Научный руководитель - кандидат физико-математических наук

' М.Д.Скорохватов

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук

В.П.МартемьяноЕ кандидат физико-математических наук В.Г.Рясный

Ведущая организация - Петербургский институт ядерной физики, (г. Гатчина

Автореферат разослан "УЬ" 0е/ 1933 г.

Д 034.04.02 в Российском научном центре "Курчатовский институт" по адресу: 123132, Москва, пл. И.В.Курчатова,I, тел.-196-92-51

С диссертацией мокно ознакомиться в библиотеке Российского научного центра "Курчатовский институт".

Ученый секретарь

Залита диссертации состоится

в

часов на заседании специализированного совет:

специализированного совета

М.Д.Скорохватов

I. Общая характеристика работы Настоящая работа посвящена экспериментал! ному исследованию взаимодействия электронного антинейтрино V, с дейтроном в области анергий Е<10 Мзв. Источником у0 служил ядерный рооктор ЬВ;)Р-440 Ровенской АЭС с номинальной мощностью Л=1375 МВт.

Основное содержание работы заключается в создании методики рогистрпции реакций нейтрального (МС) и заряженного (сс) слабых токов:

+ Р + ^ (сс)

V + (1 = п + п + е , (НО)

«морении сечений этик реакций и анализе данных эксперимента.

1ктуальность проблемы.

Одной из централышх задач физики слабых взаимодействий (вляется количественное описание процессов, идущих под действием юйтральных токов. Интерес к поиску взаимодействия, передява-' мого г° -бозоном, возник более пятидесяти лет назад. Позднее или предприняты погштки расчета [I] процесса (N0] и его кспериментальной регистрации 12]. Появление количественной еории ВвйнСерга-Солома вызвало подъем интереса к проблеме, ервые наблюдения слабих нейтральных процессов били сдоланы в 973 году на ускорителях в ЦЕРНе и Батавии при рассеянии мюошшх ейтрино и антинейтрино на нуклонах и электронах, а также в овосибирске в электрон-ядерных слабых взаимодействиях. Однако до пстоящего времени нет точных экспериментальных данных о жстантпх связи в нейтрплышх процессах с участием электронных П'инейтрино (V ). Такие измерения удобны в реакциях с малой •редачей импульса, поскольку при этом возможно точное теоретичное описание. Этим условиям отвечает реакция расщепления 'йтрона в потоке Уе от реактора (N0).

Экспериментальное исследование взаимодействия в заряженном шале (сс), наряду с изучением прямого и обратного бета-распада ¡йтрона представляет интерес с точки зрения измерения констант и

изучения структуры слабых заряженных токов.

Реакции (N0) и (СС) и родствешшо им процессы играют всо большую роль в нейтринной астрофизике. Реакции (г'^а ==> гир+г^) и (г,е+Л ==> р+р+е~) предполагается использовать при регистрации солнечных нейтрино. Реакция (р+р ==> сНе++Ув) задает скорость - энерговвделб1ШЯ в Солнце.

Интересен поиск э<Мюктов, выходящих за рамки стандартной модели, в частности, осцилляций типа г»е <=>'у .Совместное измерение сечений реакции нейтрального и заряженного токов является хорошим инструментом в этих исследованиях.

В 1979-1980 годах реакции (N0) и (СС) были наблюдены группой Райноса [3,7], однако результаты измерений носили противоречивый характер и много критиковались. В конце 80х годов были начаты эксперименты по изучению этих реакций в Красноярске [8] и Ровно.

Цель работы.

1. Разработка методики эксперимента и создание детектора, регистрирующего реакции (N0 и (со).

2. Измерение сочетай взаимодействия рь с дейтроном в нейтральном и заряженном каналах.

3. Проверка предсказаний стандартной модели электрослабих взаимодействий, измерение аксиальной константы связи в нейтральном канале взаимодействия.

Научная новизна работы.

1. Разработан и создан тяжеловодный детектор большого обгема "Дейтрон" для регистрации взаимодействия реакторных антинейтрино с ядрами дейтерия.

Детектор обладает наибольшей светосилой среди детекторов реакторных антинейтрино, созданных для исследовании этих реакций.

2. Набран большой статистический материал для изучения реакций (N0) и (СО). Получены наиболее точные на дашшй момент значения их сечений.

3. Эксперимент проводился одновременно с измерением потока [4] и спектра [5] антинейтрино от реактора. Это позволило уменьшить неопределенности, связанные с работой реактора, и повысить

нежность при интерпретации результатов.

4. Впервые получено .значение аксиальной константы связи в »йтралыюм канале взаимодействия электронных антинейтрино с 'клонами.

|учная и практическая ценность работы.

Результаты проделанной работы представляют интерес с точки 16ния изучения физики слабых взаимодействий и, в частности, изу-ния взаимодействия с веществом электронного антинейтрино.

По результатам работы получены наиболее точные значения сечей реакций (N0) и (СС), показано, что предсказания стандартной дели согласуются с результатами эксперимента. Впервые получено аченио константы нейтрального слабого тока с участием V.

г* 6

Разработанная методика регистрации Уе~ событий имеет важное актическое значение для дальнейшего развития нейтринных иссле-ваний на ядерных реакторах.

тробация работы.

Основные результаты работы докладывались на ежегодных 1ференциях Отделения общей и ядерной физики Института атомной )ргии им. И.В.Курчатова в 1988 - 1990 годах, на 13 и 14 кдународных конференциях по нейтринной физике и астрофизике в 58 г. (г.Бостон, США) и в 1990 г. (г.Женева, Швейцария), на (дународной школе по физико слабых взаимодействий при низких |ргиях в 1990 г. (г.Дубна).

¡ликации.

Основные результаты диссертации опубликованы в 5 печатных отах.

уктура диссертации.

Диссертация состоит из введения, трех глав и заключения. Она эржит 100 страниц токста, 30 рисунков, 14 таблиц и список ированной литературы из 70 наименований.

II. Кроткое содержание диссертации

Во введении рассматриваются Boirpocu физики слабых взаимодействий, на которые имеет выход нелюдимый эксперимент. Оснои-НО0 шшмшшв уделено описанию процессов (не.) и (со) и рамках • стандартной мололи электрослабых взаимодействий.

Приводятся расчеты сечений процессов в нгйтрпльном и заряженном копалах для спектров v : расчиташшх с использованием известных схем распадов осколков деления, восстановленных из экспериментальных спектров олоктронов, образующихся при делении, а также для спектра измеренного непосредственно в реакции (у !•) на РАЭС [Ь]. Мы опирались на ¡юзультати расчетов (6J, которые были выполнены с использованием нейтринных сн^к-гров, измеренных непосредственно но реакторе дли ин присущего нас состава ядерного горючего: oNC * 2.90«1(Г4,3 см~/днл и о(;,., - 1.04 • IU"^J см^/дол.

Рассматривается ядерный реактор как источник иизкоинерго-тичных электронных антинейтрино. Обсуждаются два подхода к определению потока и спектра ^ : прямое измирмние их но реакции обратного бета распада и получение этих параметров нейтринного источника косвенными способами.

OcoOohhoctlí) постановки зксперимента является одновременное измерение в одном нейтринном потоке сечений реакции (i1 el) и ("V'« а также измерение споктрп v . Это нозволянт мониторнровать поток 141 и спектр реакторных антинейтрино с помощью реакции 0'el'>- l'ce установки размещены в подземной лаборатории на Ровинской АЭС на растоянии 18 м от реактора и потоке в • К)1"' с /см~ с.

Описана существующая экспериментальная ситуация в изучении взаимодействия vb с ядрами дейт[юна ни риакторо.

Ьо второй главе рассматриваются условия проведения зкспе -римонто, приводится описание конструкции детектора, принципов регистрации событий и сбира информации, приведены характеристики установки и описана методика их измерения.

Принцип регистрации процессов взаимодействия v о ядрами дейтрона (реакции но и ос) основан на интегральной методике, т.е. детектируются только рождающиеся нейтроны, регистрация реакций

ведется с Физического порога, а нейтроны при этом детектируются пропорциональными счетчиками, наполненными Не-3.

Конструкционно детектор выполнен в виде прямоугольного бака из нержавощой стали. В бак заливается 2935 кг тяжелой воды, пронизанной 196 нейтронными счетчиками. Информация снимается с каждого счетчика.

Детектор окружен активной защитой от космического излучения и пассивной защитой из полиэтилена толщиной около 50 см. Прилегающий к детектору 20 см слой дополнительной пассивной защиты в кампании 1989 года был собран из полиэтилена, а в кампании 1990г. - из гранита и кадмия, для защиты детектора от фона (I' р)-ре акции.

Эффективность регистрации нейтронов зависит от места их рождения. Средняя по объему тяжелой воды эффективность регистрации нейтронных событий промерялось но точкам с помощью специально изготовленных ЗМВе) и Ги(1Л)~ нейтронных источников (более 300 точек для каждого). Разработанная методика позволила экспериментально опр^днлить эффективности регистрации одиночных (для мо-реакции) и двойных (для СО реакции) нейтронных событий:

<е) 0.330 ♦ 0.010, (£2) » 0.236 1 0.012

В третьей глава приводятся результаты измерений в кампаниях 1989-1990 г.г., обсуждаются возможности снижения фона, проводится анализ полученных нейтринных эффектов. приводится сравнение с другими установками.

В кампании 1909 г. детектор был окружен полиэтиленом, и приток нейтронов от О'^р) - реакции из защиты во внешние слои детектора был велик. Это былс сделано для того, чтобы оценить наиболее опасную компоненту фона,зависящую от мощности реактора. При этом эффект в нейтральном канале определялся по внутреннему объему детектора (100 счетчиков), в который коррелированный Фон не проникает. В этой кампании удалось заметить эффект в обоих каналах О' <1)-реакции.

В кампании 19'.'0 года детектор был окружен 18 см слоем графита и 1 мм слоем кадмия. При этом удалось на порядок подавить коррелированный фон и эффект в нейтральном канале определять по всему детектору. По сравнению с первой кампанией

была улучшена активная заадата, что позволило втрое улучшить соотношение эффект/фон в заряженном канале. Основной причиной фона в обеих кампаниях Сила космическая компонента, подавлению которой уделено особое внимание.

Приводятся сравнительные характеристики данной установки с установками группы Райнеса /1979-1980гг/ и группы ИАЭ, работающей на реакторе в Красноярске /1989-1991гг/.

В четвертой главе приводится анализ полученных экспериментальных данных. По результатам I9Q9-I990 гг. определены сечения ' реакций (NC) и (СС) для имеющейся в реакторе смеси делящихся изотопов (235U - 0.599, 239Ри - 0.281, 238U - 0.074, 241Ри -0.046):

°NC = f2-71 1 0.4б(стат.) ± 0.11 (систем.)] » Ю-44 см2/дол

осс = [1.17 ± о.14(стат.) ± 0.07 (систем.)] * Ю-44 см2/дел

Из сравнения полученных нами сечений с сечениями, рассчитанными с использованием экспериментальных ve спектров, определена аксиальная константа слабого взаимодействия в нейтральном канале:

= 1.22 ± O.II

Предсказания стандартной модели не противоречат ■, полученному результату. \

Получены значения сечений в нейтральном и заряженном каналах, усредненные по всем имеющимся на настоящий момент данным (нормировка на акт деления урана-235):

°nc = <2-74 * 13%) * 10~44 см2/дел -исс = (I.I6 ± 10%) » Ю-44 см2/дел

Найдено отношение сечения реакции (vep), измеренного на реакторе Ровенской АЭС, к сечению нейтрального канала (v0d)-реакции:

a^/avi = 21.6 ± 3.7

Этот результат не подтверждает указаний группы Райнеса на наличие осцилляция [7].

III. Основные результаты работы

1. Разработана методика измерения сечений нейтрального и заряженного токов при взаимодействии реакторных антинейтрино с ядрами дейтрона.

2. Создана установка для проведения таких измерений.

3. Проведен эксперимент по измерению интегральных сечений для обоих каналов взаимодействия реакторных антинейтрино с дейтроном. Определены сечения реакций (NC) и (СС) для имеющейся в реакторе смеси делящихся изотопов t23-^ - 0.599. 23^Pu - о.281, 23®U - 0.074, 241Ри - 0.046):

°NC = (2.71 ± о.46(стат.) t 0.11 (систем. )] « Ю-44 см2/дел асо = [I.17 ± о.14(ствт.) t 0.07(систем.)] • 1СГ44 см2/дел

4. Определена аксиальная константа слабого взаимодействия для нейтрального канала

g^ = 1.22 ± O.II

Основное содержание диссертации с достаточной полнотой изложено в работах:

1. Ю.Л. Добрынин, Л.А. Микаэлян, C.B. Николаев, М.Д. Скорохватов, A.B. Смирнов, С.А. Фаянс, A.B. Этешад

00 эксперименте по изучешю взаимодействия реакторных антинейтрино с дейтроном на реакторе Ровенской АЭС. Препринт ИАЭ-4383/2 1987 г.

2. А.Г. Вертинский, C.B. Егоров, Л.А. Микаэлян. C.B. Николаев. М.Д. Скорохватов, A.B. Этенко

Установка "Дейтрон" в эксперименте на Ровенской АЭС. Препринт ИАЭ-4952/2 1989 Г.

3. А.Г. Вертинский, A.A. Мелузов, Л.А. Микаэлян, C.B. Николаев, М.Д. Скорохватов, A.B. Этенко

Наблюдение взаимодействия реакторных антинейтрино с дейтроном, в каналах нейтральных и заряженных токов на Ровенской АЭС. Письма в ЖЭТФ. т.51. стр. 82. 1990 г.

4. Л.А. Микаэлян, С.В. Николаев, М.Д. Скорохватов, А.В.Этенко Study of Interaction between electron antineutrlnoa and protons and deutrone at Rovrio nuolear pow«r plant reactor. Report at 1-et "LEVI" acool, Dubna, 1991. 6. А.Г. Вершнский, А.А.Мелузов, Л.А.Микаэлян, С.В. Николаев, М.Д. Скорохватов, А.В.Этенко

Измерение сечений взаимодействия реакторных антинейтрино с дейтроном в нейтральном и заряженном канале. Письма в ЖЭТФ, т. 53. стр.409, 1991 Г.

Литература

1. Гапонов Ю.В..Тютин И.В. Неупругое рассеяние нейтрино на дейтроне. ЖЭТФ, вин. 47. стр.1836, 1964 г.

2. Микаэлян Л.А.,Балш А.Я.,Франк А.И. Возможность экспериментального изучения взаимодействия ve с дейтроном. ЯФ, 1968 г, вып. 7, стр. 1237

Munsee J., Reineo P. Search for a neutral weak Interaction via Ye dissociation of deuterono.-Phye. Rev., 1969, vol.177, p. 2002

3. Paslerb E. et al. Detection of weak neutral ourrent w.in¿{ fifising V0 on deuteron.-Phyo. Rev. Lett., 1979. vol.43.p.96

4. Кувшишшков A.A. .Микаэлян Л.А. .Николаев C.B. .Скорохватов М.Д., Этенко A.B.- Прецизионное измерение сечения реакции + р -> п + е+ на реакторе Ровенской АЭС. Письма в ЖЭТФ, (1991), 54(5). 259-26.".

5. Климов Ю.В., Копейкин В.И. и др. Измерение спектра электронных антинейтрино ядерного роактора.-ЯФ,1990,т.52,стр.1Ь74

6. Доброцветов A.B., Фаянс С.А. Эффекты отдачи и слабого магнетизма в реакциях ve(d,np)y¿ и ve(d,nn)e+ при низких энергиях. ЯФ, 1993г., т.56, стр.56

7. P.eines F.,Sobel H.W.,Pasierb E. Evidens for neutrino Instability.- Phys.Rev.Lett.,1980,vol.45,P. 1307

8. Видякин Г.С., Выродов В.Н., Гуревич И.И., Козлов Ю.В., Мартемьянов В.П., Сухотин С.В., Тарасенков В.Г., Хакимов С.Х. Наблюдение слабого заряженного тока при взаимодействии реакторных антинейтрино с дейтроном. Письма в ЗЭТФ, 49(3), стр.130, 1989 г.

Технический редактор О.В. Антонова Подписано в печать 16.04.93. Формат 60x84/16 Уч.—издл. 0,5. Тираж 72. Заказ 49.

Отпечатано в РНЦ "Курчатовский институт"