Исследование метода регистрации солнечных нейтрино с помощью литиевого детектора тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.01 ВАК РФ

904666662 На правах рукописи

Петухов Валерий Вячеславович

ИССЛЕДОВАНИЕ МЕТОДА РЕГИСТРАЦИИ СОЛНЕЧНЫХ НЕЙТРИНО С ПОМОЩЬЮ ЛИТИЕВОГО ДЕТЕКТОРА

01.04.01 - приборы и методы экспериментальной физики

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

004606662

На правах рукописи

Петухов Валерий Вячеславович

ИССЛЕДОВАНИЕ МЕТОДА РЕГИСТРАЦИИ СОЛНЕЧНЫХ НЕЙТРИНО С ПОМОЩЬЮ ЛИТИЕВОГО ДЕТЕКТОРА

01.04.01 - приборы и методы экспериментальной физики

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Работа выполнена в Учреждении Российской академии наук — Институте ядерных исследований РАН, Москва

Научный руководитель:

кандидат физико-математических наук A.B.Копылов

(ИЯИ РАН)

Официальные оппоненты:

доктор физико-математических наук Ю.Г.Куденко (ИЯИ РАН) доктор физико-математических наук А.В.Дербин (ПИЯФ РАН)

Ведущая организация.

Федеральное государственное унитарное предприятие «Государственный научный центр Российской Федерации -Физико-энергетический институт имени А.И.Лейпунского»

Защита состоится «_» О Ч- 2010_2010 года

в /у^часов на заседании диссертационного совета Д 002.119.01 Учреждения Российской академии наук — Института ядерных исследований РАН (117312, Москва, проспект 60-летия Октября, 7а)

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ИЯИ РАН.

2 0.0 5.2010

Автореферат разослан_.

Ученый секретарь диссертационного совета Д 002.119.01 кандидат физико-математических наук Б.А.Тулупов

V V

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ Актуальность темы

Результаты экспериментов с солнечными нейтрино — хлорного в США, галлиевых в России (SAGE) и Италии (GALLEX, GNO), электронных экспериментов KAM10KANDE и SuperKAMIOKANDE в Японии, SNO в Канаде и BOREXINO в Италии, экспериментов с ускорительными нейтрино (К2К, MINOS и др.), а также эксперимента KamLAND с антинейтрино от реакторов — убедительно свидетельствуют о том, что нейтрино осциллируют. В ходе этих экспериментов были измерены параметры нейтринных осцилляции Дт221, Ат^ (предел), 6>12, #13 и 01Ъ. Помимо этого, наблюдение эффекта Михеева-Смирнова-Вольфенштейна (МСВ) на солнечных нейтрино показало, что Anij, =т\ -»V >0, т.е. масса состояния с большим весом электронного нейтрино имеет меньшую массу. При этом измерен с высокой точностью энергетический спектр и поток борных нейтрино (SNO), измерены интегральный эффект от рр- и ре/>-нейтрино (галлиевые эксперименты) и поток бериллиевых нейтрино (эксперимент BOREXINO). Полученные результаты хорошо согласуются с величинами, вычисленными по стандартной солнечной модели с учетом ос-цилляций нейтрино, параметры которых лежат в области больших углов смешивания (LK4A).

Тем не менее, существует ряд вопросов, ответ на которые может быть получен только из совокупности данных как уже действующих, так и будущих экспериментов. Так, например, необходимо детальное исследование формы энергетического спектра /р-нейтрино. Кроме того, недостаточно изучен вопрос о содержании тяжелых элементов в веществе Солнца и, как следствие, не решен вопрос об имеющемся противоречии результатов гелиосейсмологии и наблюдательных данных о содержании тяжелых элементов в веществе Солнца. Вопрос о величине вклада CWÖ-цикла в энергетику Солнца также еще остается открытым, и более точное измерение потоков CWO-нейтрино позволило бы существенно продвинуться в этом направлении, важном для

исследования эволюции не только Солнца, но и всех звезд, находящихся на главной последовательности диаграммы Герцшпрунга-Рассела.

Нами показано, что данные, полученные с помощью литиевого детектора, в совокупности с результатами других экспериментов, позволят:

1. Определить вклад CNO-цикла в солнечную энергетику и тем самым проверить правильность нашего представления о звездной эволюции.

2. Используя уравнение баланса солнечной светимости, снизить величину погрешности в определении потока рр-нейтрино до уровня < 0.5%.

3. Измерить содержание металлов (элементов с атомным весом А > 5) непосредственно в ядре, что определит выбор между моделями с высокой или низкой металлизацией.

4. Исследовать возможность существования процесса перемешивания вещества между внешними и внутренними областями Солнца

5. Изучить вопрос о наличии скрытых источников солнечной энергии.

6. В совокупности с данными экспериментов по прецизионному измерению полного потока рр-нейтрино (например, XMASS, LENA, LENS и др.), с применением уравнения баланса солнечной светимости исследовать возможность перехода электронного нейтрино в стерильное.

Цель работы

Целью работы являлось:

1. Обосновать роль литиевого эксперимента в исследовании солнечных нейтрино и процессов, связанных с генерацией солнечной энергии, в том числе: содержание тяжелых элементов, возможный перенос вещества в недрах Солнца.

2. Исследовать возможные каналы фона в литий-бериллиевом эксперименте по регистрации солнечных нейтрино.

3. Отработать методику извлечения микроколичеств бериллия из металлического лития, включая нахождение оптимальных условий этого процесса.

4. Провести сравнительный анализ перспективности различных методов счета единичных атомов Ве, включающий измерение характеристик и расчет эффективности регистрации распадов этого изотопа в различных типах детекторов.

Научная новизна

Разработана методика литий-берилливого эксперимента по регистрации солнечных нейтрино, которая была проверена на лабораторных установках. Найдены оптимальные условия извлечения бериллия из металлического лития. Установлено, что для извлечения следует использовать термостатический режим, а сам детектор должен иметь проточную конструкцию и модульную структуру. Получен коэффициент извлечения бериллия 96%, при этом потери лития за одно извлечение составляли менее /%.

Проведен расчет каналов фона литиевого детектора методом Монте-Карло. Данные о сечениях и угловых распределениях реакций, используемых в программах, были взяты из баз ЕХР(Ж, и

7?ДО№3. Остальные необходимые для вычислений величины взяты из опубликованных экспериментальных данных.

Проанализированы различные методы счета микроколичеств 7Ве. Совместно с группой С.Витале (ШРЫ, Генуя) нами была впервые показана принципиальная возможность регистрации распадов 7Ве с высокой эффективностью с помошью микрокалориметра на основе ШЮ-германия. Были детально исследованы летучие соединений бериллия, которые можно использовать в газонаполненных детекторах и показано, что наиболее подходящими для этих целей являются аце-тилацетонат и трифторацетилацетонат бериллия; измерен фон и эффективность счета

7Ве в пропорциональном счетчике в режимах дис-5

криминации фона по форме импульса и антисовпадений с внешним детектором №7(77). Моделированием по методу Монте-Карло с использованием данных о фоновых характеристиках современных детекторов из сверхчистого германия определена продолжительность эксперимента, необходимая для измерения потока СМ>нейтрино с заданной точностью.

Показано, что если происходит перемешивание между внутренними и внешними слоями Солнца, то это может существенно увеличить поток "ТУ-нейтрино, в то время как другие потоки солнечных нейтрино останутся фактически неизменными. При этом параметры процесса перемешивания могут быть такими, что основные наблюдаемые переменные — содержание изотопов в фотосфере и средний молекулярный вес в ядре Солнца — не выйдут за существующие на настоящий момент пределы погрешности измерений. Данные о потоках СЫО-нейтрино можно получить с помощью электронных детекторов, но ввиду малости сигнала от этих нейтрино относительно эффекта, производимого бериллиевыми нейтрино, для получения высокой точности необходимо иметь результаты независимых измерений этих величин. Литиевый детектор представляется весьма перспективным в этом отношении, поскольку он имеет более высокую, по сравнению с другими радиохимическими детекторами, чувствительность к СМ?-нейтрино. Проблемы же фона для него менее критичны, чем для электронного, поскольку, как и во всех радиохимических детекторах, в нем регистрируются не отдельные события от прохождения нейтрино через рабочий объем, а измеряется активность изотопа, накопленного за длительный период экспозиции. Технология литиевого эксперимента к настоящему моменту разработана достаточно хорошо для того, чтобы приступить к созданию пилотной установки.

Научная и практическая ценность

Содержащийся в диссертации материал является основой для написания предложения по созданию пилотной установки, на кото-

рой может быть отработана технология полномасштабного литиевого эксперимента по регистрации солнечных нейтрино.

Исследования на металлическом литии, проведенные в рамках данной работы, имеют также важное прикладное значение. Нами в целом отработан технологический процесс, определены условия эффективной очистки лития от бериллия. Это может быть использовано, в частности, при создании интенсивных источников нейтронов на основе литиевой мишени.

Основные положения, выносимые на защиту

■ Обоснование необходимости постановки литий-бериллиевого эксперимента и его места в программе исследования солнечных нейтрино.

■ Разработка методики извлечения микроколичеств бериллия на установке, имеющей проточную конструкцию и работающую в термостатическом режиме. Экспериментальное подтверждение эффективности такой методики с помощью изотопов 7Ве и 22Na в образце сверхчистого алюминия в качестве носителя.

■ Расчет фона в литий-бериллиевом детекторе солнечных нейтрино для различных каналов его генерации.

■ Измерение энергетического спектра и расчет эффективности регистрации распадов 7Вс в различных типах детекторов - пропорциональном счетчике, микрокалориметре и полупроводниковом детекторе с кристаллом из сверхчистого германия. Выбор наиболее подходящего соединения бериллия для измерения активности 7Ве в пропорциональном счетчике или другом газонаполненном детекторе.

Апробация работы и публикации

Результаты диссертации докладывались на международных конференциях «Solar Neutrinos: News About SNUs» (1997, Санта-Барбара, США), «jNon-Accelerator New Physics» (2003, 2005, Дубна, Россия), «4lh International Workshop on Low Energy and Solar Neutrinos» (2003, Па-

риж, Франция), «Neutrinos and Dark Matter in Nuclear Physics» (2006, Париж, Франция) и «Physics of Massive Neutrinos» (2008, Милос, Греция), международной школе «Neutrinos in Cosmology, in Astro-, Particle- and Nuclear Physics» (2009, Эриче, Италия), а также на школе и семинарах ИЯИ РАН.

Основные результаты диссертации опубликованы в [1-17]. Личный вклад автора

Все приведенные результаты получены либо самим автором, либо при его непосредственном участии.

Структура и объем диссертации

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, двух приложений и списка цитируемой литературы. Диссертация изложена на 158 страницах, включая 70 рисунков, 20 таблиц и список литературы, который включает 267 наименований.

Работа была выполнена в Отделе лептонов высоких энергий и нейтринной астрофизики ИЯИ РАН.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во Введении дан краткий обзор современного состояния дел в области исследования солнечных нейтрино. Изложена история возникновения т.н. «проблемы солнечных нейтрино», приведены некоторые теоретические сведения, касающиеся формализма описания нейтринных осцштляций (матрица смешивания Понтекорво-Маки-Накагавы-Саката, эффект Михеева-Смирпова-Вольфениипейна и т.д.). Также перечислены эксперименты, ведущиеся в этой области физики нейтрино. Имеющиеся к середине 2009 г. результаты измерения параметров осцилляций (Табл. 1), а также экспериментальные данные о потоках солнечных нейтрино (Рис.1) показывают хорошее согласие теории и эксперимента.

Таблица 1. Параметры нейтринных осцилляции, определенных по совокупности данных к середине 2009 года /7, 2]

Параметр Величина наилучшего согласия ± 1 а Интервал Зо

ёт2[ 10"5эВ2] +7.59+0-,9.о.21 7.05-8.34

Ат2 [КГ3 эВ2] ±2.40+ои.о.п ±(2.07-2.75)

0.319+ОМ21 -0.0J6 0.25-0.37

Sin2(??5 0Ж°%06 0.36-0.67

Sin2 0/i 0.ОГ°-то.о11 <0.056

1 +0.10

1 i0.ll

tO.Qb

1 to .31 1 +0.11

-

а)

lit

ш

"О

d

ш о

l£i CJ

о о •f! tv in о

::Ш !

<S> У>

о о

ю о

Wil

Z-

m ^

x

ixi

<M

о о +1 Ch

о

2 i)

О

j о

i t4-: CO О

О

c\

H20

Ga

D 2.0 D 20

88 8B 78e pp+pep * CNO 11 Exp. Рис. 1. Сравнение результатов экспериментов с расчетами по ССМ BPS08(GS) без учета осцилляций

Помимо этого, во Введении отмечены некоторые нерешенные вопросы, а именно: определение формы энергетического спектра рр-нейтрино и измерение потока pep- и СМЗ-нейтрино. В заключение даны характеристики литиевого детектора и его сравнение с другими радиохимическими детекторами солнечных нейтрино (Табл. 2).

Таблица 2. Потоки солнечных нейтрино и скорости захвата в различных детекторах по предсказаниям ССМ НРБ08(ОБ) и ВРБ08(АС8) [3] с квадратичной ошибкой на уровне 1а (без учета

осщшяций). Для потоков 13Ы- и 150-нейтрино учтены новые значения сечений [4]. Ожидаемая скорость счета для литиевого детектора вычислена по данным из [5]. Экспериментальные данные для хлорного детектора — из [6], для трех га'пиевых — из [7]

Источ. Поток(1010ст"28"') С1 (вЖГ) Оа(8Ш) 1л (БШ

№8ЩС8) ПР80Х{АСт8) 68 А08 68 лея 08 А08

РР 5.97(1.00±0.006) 6.04(1.00±0.005) 0.00 0.00 70.2 70.9 0.0 0.0

рер 1.4М0'2(1.00±0.011) 1.45-10"2(1.00±0.010) 0.22 0.22 2.8 2.9 9.3 9.5

Иер 7.90-10"7(1.00±0.15) 8.2210"7(1.00±0.15) 0.04 0.04 0.1 0.1 0.1 0.1

>Ве 5.07-10"'(1.00±0.06) 4.55-10"'(1.00±0.06) 1.23 1.10 36.3 32.6 9.7 8.7

*В 5.94-10"4(1.00±0.11) 4.72-10"4(1.00±0.11) 6.78 5.38 14.2 11.3 23.2 18.4

>3М 2.88-10"2(1.00±0.15) 1.89-10"2(1.00+о 14 _о,1з) 0.05 0.03 1.8 1.2 1.2 0.8

"О 2.1 5-10"2(1.00+о 17 .(ш) 1.34-10-2(1.00+О16.о15) 0.15 0.09 2.4 1.5 5.3 3.3

и¥ 5.82-10",(1.00+о'%,7) 3.25-10Г4(1.00+О'14.15) 0.00 0.00 0.1 0.1 0.1 0.1

Полная скорость захвата без учета осцилляций, теор. 8.46 +0.87 -0.88 6.87 +0.69 -0.70 127.9 +8.1 -8.2 120.5 +6.9 -7.1 47.0 ±2.8 40.9 ±1.2

Полная скорость захвата, эксп. 2.56±0.23 66.Ш.1

С учетом осцилляций скорость счета в литиевом детекторе составит 22.23±1.12 ЯМ/ для модели с высокой и ]8.74±0.80 БЫи для модели с низкой металлизацией.

В Главе 1 приводится физическая мотивация необходимости постановки литиевого эксперимента и приведены его основные задачи. Кроме того, в этой главе приведен краткий обзор стандартных солнечных моделей (ССМ). На настоящий момент остается открытым вопрос о выборе между моделями с высокой (СЯ08) и низкой (ЛОХОМ) метализацией. Первая хорошо согласуется с данными гелиосейсмоло-гии, но получаемая с ее помощью распространенность тяжелых элементов в фотосфере недостаточно точно совпадает со спектрометрическими наблюдениями. Со второй — ситуация обратная. Она лучше описывает интенсивность наблюдаемых спектральных линий тяжелых элементов, а их содержание в солнечной фотосфере совпадает с наблюдаемой распространенностью таких элементов в звездах В-типа из ближайшего окружения Солнца. Однако результаты расчетов

по этой модели вступают в противоречие с данными гелиосейсмо-логии.

Далее нами показано, что, если допустить существование некоторого процесса перемешивания между внутренними и внешними областями Солнца (скорость которого задается коэффициентом перемешивания к, показывающим, какая часть массы Солнца участвует в перемешивании, а длительность — временем перемешивания Т„„х), то это приведет к увеличению потока "Л'-нейтрино по сравнению с величиной, рассчитанной по обеим моделям. Продемонстрировано, что существуют такие области на плоскости к • Ттх, где наблюдаемые переменные (средний молекулярный вес в ядре Солнца, содержание изотопов в фотосфере), а также поток бериллиевых нейтрино не выходят за границы экспериментальных ошибок, но в то же время поток ^А-гтейтршго может существенно превышать рассчитанный по модели без перемешивания (Рис.2, Рис.3).

в) г)

Рис.2. Изолинии отклонений наблюдаемых величин, рассчитанные для случая перемешивания с заданными Т,„,х (вертикальная ось) и к (горизонтальная), от значений без перемешивания на настоящий момент времени: а) - содержания водорода, б) - гелия, в) - углерода, г) -азота в фотосфере в единицах стандартной ошибки измерения (взяты из [8, 9]). Пунктиром изображены контурные линии отклонения среднего молекулярного веса в аналогичных единицах

а)

б)

в)

Рис.3. Изолинии отклонений величин потоков солнечных нейтрино, рассчитанные для случая перемешивания с заданными Тт1Х (вертикальная ось) и к (горизонтальная), от значений без перемешивания на настоящий момент времени: а) - потока 7йе-нейтрино, б) - потока 15О-нейтрино, в) - потока "Л'-нсйтрино в процентах. Пунктиром изображены контурные линии отклонения среднего молекулярного веса в аналогичных единицах

Рис.4. Схема установки: I - аргоновый бокс, 2 - бак №1 (загрузочный), 3 - устройство для введения образца алюминия в качестве носителя изотопов 7Ве и 22Na, 4 - бак №2 (сливной), 5 - фильтр №1,6- бак №3, 7 - фильтр №2, 8 - бак №4. В процессе работы все части установки прогревались при помощи нагревательных элементов (на рисунке

не указаны)

7 2"1

В качестве «маркеров» мы использовали изотопы Be и *Na в носителе из сверхчистого алюминия, образованные при облучении алюминиевой полосы протонами на сильноточном ускорителе ИЯИ РАН. Образец с предварительно измеренной активностью помещался в устройство для введения образца и далее при переливании жидкого лития из загрузочного бака №1 вводился в установку.

Было установлено, что во время перемешивания при переливании лития бериллий сорбируется в окисной пленке на поверхности лития и при перекачивании лития из сливного бака №2 в бак №3 практически полностью (более 96%) остается на внутренней поверхности сливного бака.

В результате исследований было показано, что: о При извлечении бериллия из лития необходимо использовать термостатический режим.

о Следует использовать проточную конструкцию баков модуля. Каждый модуль состоит из двух баков, теплоизолированных в общем корпусе, как изображено на Рис.5.

Дальнейшая процедура извлечения выглядит следующим образом:

• После перекачки лития бериллий извлекается со стенки бака орошением смесью дистиллированной воды и спирта.

• Извлечение 7Ве из раствора.

• Очистка от примесей.

• Приготовление ацетилацетоната бериллия или твердого образца, содержащего 7Ве в зависимости от метода измерения.

Таким образом, была получена доказательная база в обоснование разработанной методики. Коэффициент извлечения при такой методике оказался равен 96%, потери лития в процессе извлечения не превышают нескольких процентов. При такой технологии извлечения оптимальной является модульная структура детектора (20 модулей по 500 кг лития каждый).

В Главе 4 рассмотрены методы счета единичных атомов 7Не. Нами были исследованы термодинамические свойства летучих соеди-

нений бериллия, которые можно использовать в газонаполненных детекторах. Также проанализированы вопросы оптимизации параметров и режима работы пропорционального счетчика в одноэлекгронной области, выбора рабочего газа и т.д. Был измерен фон таких счетчиков, помещенных в колодец детектора Nal в одноэлектронной области при комнатной температуре при различных давлениях газа в режиме антисовпадений с сигналом внешнего сцинтилляционного детектора, антисовпадений и отбора по форме импульса, а также в режиме совпадений с у-кв антами с энергией 478 кэВ (Табл.3).

Таблица 3. Фон пропорциональных счетчиков в области одноэлектропных импульсов при комнатной температуре

Счетч. Матер, катода На- пряж., В Время измер., сут. Давл., Topp Скор, счета антисовп. Nal, сут"1 Скор, счета антисовп. Nal +ADP, сут'1 Совпад. с Nal, имп. за все время изм.

Ynl С 1700 5.2 350 12.3 ± 1.5 9.8 ± 1.3 0

1530 2.0 200 98.2 ±7.0 75.6 ± 6.1 1

Бе41 FeCr 1700 8.8 350 43.8 ±2.2 38.3 ±2.0 0

1500 3.0 200 68.6 ±4.8 54.1 ±4.2 0

1400 0.7 100 177.7 ± 15.5 149.0 ± 14.2 1

Fe5 Fe 1500 2.8 200 94.0 ±5.7 70.3 ± 5.0 0

у

Измерена также эффективность регистрации распадов 'Ве в пропорциональном счетчике при высокой температуре (использовался кварцевый счетчик с катодом из углеродной пленки, изготовленный В.Э.Янцем). Для счётчика, содержащего 10 мкг ацетилацетоната берилллия* в качестве носителя, при давлении изобутана 200 Topp и температуре 200°С эффективность достигает ~ 60% в одноэлектронной области (в режиме е~-у совпадений ~ 6%). Эту величину можно улучшить, понизив уровень шумов предусилителя и увеличив отношение рабочего объема счетчика к его полному объему.

Применение низкотемпературных детекторов для регистрации ядерного излучения позволяет достичь эффективности счета, близкой

* Синтез ацетилацетоната бериллия был осуществлен Г.Я.Новиковой по методике, описанной в [10]

к 100%. Совместно с группой С.Витале (1А'[7Ы, Генуя) нами была исследована возможность регистрации распадов 7Ве на микрокалориметре в криогенной лаборатории ШРN. Абсорбером микрокалориметра служила окись бериллия и металлический бериллий, облученные интенсивным пучком протонов на протонном ускорителе Института ядерных исследований РАН. На Рис.6 приведен спектр от распадов

у

'Ве в металлическом и оксидном абсорбере.

$2»

еЮО 017! л

150 11

125 - 1 \

100 Д . и 1 1

\ f :• > 1 ;

5« ч

25 \

>

о.

с 3

о О

1С)

. 112е\/ К-сарШге к

I V; 24 еУ {РШЫ)

а)

!

50 1М »"»Г»"м 35« «Я

£песву!>»'>

57 е\/ И.-сар{иге г + 84 еУ К-сарЫге }

' *. г,. Л

'•/V .

т 60 ГУ/ и-:) 1 зо ^оо

Епегду (еУ)

б)

Рис.6. Энергетический спектр импульсов от распадов 7Ве в а) -металлическом и б) - оксидном абсорбере без дискриминации по форме импульса

Из формы спектра видно, что фон в области ниже 50 и выше 200 эВ можно легко дискриминировать от спектра полезных сигналов. Измерения с обоими абсорберами через 41 день (металл) и 60 дней (оксид) показали уменьшение скорости счета в соответствии с периодом полураспада 55±3 суток, что хорошо согласуется с соответствующей величиной для 7Ве (53.3 суток), при этом форма энергетического спектра оставалось неизменной. В этих исследованиях впервые была реализована идея регистрации распадов 7Ве с помощью криогенного детектора.

Способ регистрации распадов 7Ве с помощью полупроводникового детектора методически является наиболее простым. Однако максимально возможное число полезных событий в таком детекторе приблизительно на порядок меньше, поскольку только 10.8% распадов

7Ве сопровождается излучением у-квантов). Это предъявляет высокие требования к фону, тем не менее, достигнутый за последнее время прогресс в создании низкофоновых полупроводниковых детекторов на основе кристаллов сверхчистого германия (ЯРСе) позволяет рассчитывать на достижение фона, достаточного для измерений эффекта от солнечных нейтрино в литиевой мишени с необходимой точностью. Используя известные литературные данные о фоновых характеристиках существующих и разрабатываемых германиевых детекторов, мы рассчитали, какова будет ошибка измерений активности в зависимости от времени проведения эксперимента в НРОе детекторе, фон которого в области энергий 478 кэВ равен ~ 1.5 кэВ"'кг'год"1 (Табл.4).

Таблица 4. Расчетная ошибка при регистрации распадов 7Ве в НРОе весом 1 кг в пересчете на одно измерение

Количество измерений в серии 10 20 40

Среднее стандартное отклонение, а 0,82 0,58 0,41

Относительная ошибка, % 30 20 15

Если для счета распадов 7Ве использовать детектор массой 4 кг с фоновыми характеристиками, аналогичными тем, которые предполагается достичь в проекте GERDA [11], то относительную ошибку, приведенную в последней строке Табл.4, молено уменьшить приблизительно в 2 раза.

В Заключении сформулированы основные результаты диссертации:

1. Проведены расчеты, показывающие принципиальную возможность увеличенного по сравнению с ССМ потока нейтрино от реакции UN -» '"Y.'+t^+Vc , обусловленную перемешиванием между центральной и внешними областями Солнца.

2. Показано, что литий-бериллиевый эксперимент по регистрации солнечных нейтрино позволит, совместно с данными других экспериментов, сделать выбор между солнечными моделями с различным содержанием металлов, включая модели с перемешиванием.

3. Проведен расчет каналов фона в литий-бериллиевом детекторе солнечных нейтрино. Показано, что вклад от внешних источников

фона (~ 0.15 8>Ш) пренебрежимо мал по сравнению с эффектом от солнечных нейтрино (~ 22 БЖ! с учетом осцилляций).

4. Измерена радиационная загрязненность образцов лития, который планируется использовать в качестве мишени. Установлено, что содержание урана и тория в образце менее 4-10'10 г/г. При такой концентрации этих элементов величина фона от изотопов соответствующих рядов составляет менее 1% от ожидаемого эффекта от солнечных нейтрино.

5. На лабораторных установках отработана процедура извлечения берилллия из металлического лития с эффективностью извлечения более 95%, при этом потери лития в результате процедуры извлечения не превышают 1%. Установлено, что извлечение бериллия из металлического лития должно проводиться в термостатическом режиме, т.е. нет необходимости манипулировать температурой во время процедуры извлечения с целью получения большей эффективности этого процесса. Это позволит не только упростить технологический процесс, но и существенно уменьшить потребление энергии.

6. Изучены термодинамические свойства соединений бериллия,

п

которые можно использовать для измерения активности Ве в пропорциональном счетчике или другом газонаполненном детекторе.

7. Измерена эффективность счета 7Ве в пропорциональном счетчике при температуре 200°С (60%). Показана принципиальная возможность измерения активности извлеченного бериллия с высокой эффективностью в криогенном детекторе. Кроме того, с помощью моделирования по методу Монте-Карло показано, что возможна регистрация распадов 7Ве в полупроводниковом детекторе из сверхчистого германия с удовлетворительной точностью (погрешность измерения скорости образования 7Ве в литиевом детекторе от солнечных нейтрино может составить 10% за пять лет при регистрации распадов с помощью НРОе детектора массой 4 кг).

Публикации автора по материалам диссертации

1. A.Kopylov, V.Petukhov On The Mass Eigenstate Composition Of The 8B Neutrinos From The Sun IIJCAP, 2007. v.04, p.002

2. A.Kopylov, I.Orekhov, V.Petukhov, A.Solomatin A Lithium experiment in the program of solar neutrino research II Phys.Atom.Nucl. 2006. v.69, pp.1829-1832.

3. A.Kopylov, V.Petukhov Seasonal variations of solar neutrino rates in lithium detector II Phys. Lett. B, 2002. v. 544, p. 11

4. С.Н.Даньшин, Г.Т.Зацепин, А.В.Копылов, В. В.Петухов, Е.А.Янович Проблема солнечных нейтрино и радиохимический литиевый детектор II ЭЧАЯ, 1997. т.28, №1, стр.5

5. M.Galeazzi, G.Gallinaro, F.Gatti, P.Meunier, S.Vitale, A.V.Kopylov, V.V.Petukhov, E.A.Yanovich, G.T.Zatsepin Lithium versus chlorine: for the solution of the solar neutrino problem II Phys.Lett. B, 1998. v.398, p. 187

6. A.Kopylov, V.Petukhov Neutrinos from CNO cycle at the present epoch of the solar neutrino research II Progress in Particle and Nuclear Physics, v.64 (2010) pp. 423-425

7. А.В.Копылов, И.В.Орехов, В.В.Петухов, А.Е.Соломатин Физическое обоснование литиевого эксперимента II Письма в ЭЧАЯ, 2007. т.4, №4, стр.552

8. A.Kopylov, V.Petukhov Prospects for studying the solar CNO cycle by means of a lithium neutrino detector I I JCAP, 2008. v. 10, p.007

9. A.Kopylov, V.Petukhov Neutrino fluxes from CNO cycle in the Sun in the non stationary case with mixing II JCAP, 2009. v.8, p.006

10. A.V.Kopylov, I.V.Orekhov, V.V.Petukhov, A.E.Solomatin, M.N.Arnoldov Lithium Experiment on Solar Neutrinos to Weight the CNO Cycle 11 Physics of Atomic Nuclei, 2004. V.67, N6, pp.11821187

11. А.В.Копылов, И.В.Орехов, В.В.Петухов, А.Е.Соломатин Исследование метода регистрации солнечных нейтрино с помощью литиевого детектора IIЖТФ, 2009. т.79, вып.7, с.133

12. Г.Я.Новикова, В.В.Петухов Извлечение микроколичеств бериллия из водных растворов лития // Изв. вузов. Ядерная энергетика, 1999. №3

13. Я.Х.Гринберг, В.В.Петухов, Г.Я.Новикова и др. Термодинамические свойства Р-дикетонатов бериллия // Журн. физ. химии, 1987. t.LXI, №11, с.2894

14. Я.Х.Гринберг, В.Б.Лазарев, В.В.Петухов, Г.Я.Новикова и др. Термодинамические свойства фторзамещенных fi-дикетонатов Be и А1 // Доклады АН СССР, 1987. т.297, №3, с.633

15. М.Н.Арнольдов, А.В.Копылов, И.В.Орехов, В.В.Петухов, Е.А.Янович Литий в проблеме солнечных нейтрино II Изв. вузов. Ядерная энергетика, 1999. №3, с.95

16. Г.Я.Новикова, В.В.Петухов, Е.А.Янович, В.Э.Янц Разработка высокоэффективного .метода регистрации низкой активности 7Ве в литиевом детекторе солнечных нейтрино II Изв. вузов. Ядерная энергетика. 1999. №3, сс.109-113

17. A.Kopylov, I.Orekhov, V.Petukhov, A.Solomatin, G.Zatsepin, M.Arnoldov Development of the Technology of Radiochemical Lithium Detector of Solar Neutrinos II ХП-th IntSchool "Particles and Cosmology", Baksan Valley, 2003, p.252

Литература

1. M.Maltoni, T.Schwetz Three-flavour neutrino oscillation update and comments on possible hints for a non-zero 6ц II 7th Int. Workshop Ident. of Dark Matter 2008, arXiv:hep-ph/0812.3162

2. R.Martin for the SNO Collaboration Results from the Neutral Current Detector phase of the Sudbuty Neutrino Observatory И arXiv:hep-ph/0905.4907

3. C.Pena-Garay, A.M. Serenelli Solar neutrinos and the solar composition problem // arXiv: 0811,2424vl [astro-ph]

4. LUNA collaboration First measurement of the uN(p, y)150 cross section down to 70 keVH Phys. Lett. B, 2006. v.634, p.483

5. J.N.Bahcall, M.H.Pinsonneault, S.Basu Solar models: current epoch and time dependences, neutrinos, and helioseismologicalproperties II Astrophys. J. 2001. v.555, p.990

6. P.Дэвис Полвека с солнечными нейтрино // УФН, 2004. т. 174, №4, с.408

7. J.N.Abdurashitov, V.N.Gavrin, V.V.Gorbachev et al. (SAGE Collaboration) Measurement Of The Solar Neutrino Capture Rate With Gallium Metal. lit: Results For The 2002—2007 Data-Taking Period /I Phys.Rev.C, 2009. v.80, p.015807

8. M.Asplund, M., N.Grevesse, A.J.Sauval The solar chemical composition II Nucl.Phys., 2006. kill, p.1-4

9. F.Delahaye, M.HPinsonneault, The solar heavy-element abundances. I. Constraints from stellar interiors II Astrophys. J., 2006. v.649,

p.529

10. Г.Я.Новикова Исследование возможностей извлечения микроколичеств бериллия из лития с целью создания радиохимического Li-Be детектора солнечных нейтрино // Диссертация на соискание ученой степени к.х.н., Москва, 2001

11. A.Smolnikov for the GERDA collaboration Status of the GERDA experiment aimed to search for neutrinoless double beta decay of?6Ge H arXiv:0812.4194vl [nucl-ex], 2008

Ф-т 60x84/16 Уч.-изд.л. 1,0 Зак. № 22080 Тираж 100 экз. Бесплатно

Отпечатано на компьютерной издательской системе Издательский отдел Института ядерных исследований Российской академии наук

117312, Москва, проспект 60-летия Октября, 7а

Введение. Современное состояние исследования солнечных нейтрино

1. Стандартная солнечная модель

2. Неопределенности в расчетах и корреляции потоков солнечных нейтрино

3. Проблема солнечных нейтрино

4. Осцилляции нейтрино.

4.1. Некоторые сведения о формализме осцилляции

4.2. Краткая сводка экспериментальных данных по осцилляциям

5. Некоторые нерешенные вопросы

6. Детекторы солнечных нейтрино

7. Литий-бериллиевый детектор солнечных нейтрино

Глава 1. Физическая мотивация необходимости постановки литиевого эксперимента

1.1. Основные задачи литиевого эксперимента

1.2. Краткий обзор современных стандартных солнечных моделей

1.3. Расчет эволюции содержания изотопов и потоков нейтрино в отсутствие переноса веъцества

1.4. Модель с переносом вещества между центром и периферией

1.4.1. Частный случай перемешивания

1.4.2. Общий случай перемешивания

1.5. Что литиевый эксперимент может добавить к современному представлению о процессах на Солнце?

Глава 2. Фоновые процессы в литиевом детекторе.

7 **

2.2. Образование ядер Be от нуклонов космических лучей на поверхности

2.2.1. Энергетическое и угловое распределение нуклонной компоненты космических лучей

2.2.2. Моделирование прохождения нуклонов космических лучей через литиевую мишень

2.2.3. Образование каскадных протонов от нуклонов космических лучей

2.2.4. Образование испарительных протонов

2.2.5. Результаты

2.3. Фон от радиоактивных примесей влитии

2.4. Расчет образования 7Be в литиевой мишени под воздействием нейтронов

2.4.1. Реакции, приводящие к образованию ядер Be 1Ъ

2.4.2. Схема вычислений

2.4.3. Вычисление скорости образования Be в расчете на один нейтрон

2.4.4. Сравнение расчетов с экспериментальными данными

2.4.5. Расчет фонового эффекта в детекторе

2.5. Фон от мюонов космических лучей

2.5.1. Интенсивность потока мюонов в месте расположения детектора

2.5.2. Энергетический спектр вторичных частиц

2.5.3. Фон, обусловленный взаимодействиями мюонов в литиевой мишени

2.5.4. Фон, обусловленный частицами, образованными'мюонами при взаимодействии с окружением мишени

Глава 3. Извлечение атомов Be из металлического лития

3.1. Введение

3.2. Проверка технологии извлечения 7Be на тестовой установке.

3.2.1. Подготовка образца, содержащего изотоп 7Be

3.2.2. Лабораторная (тестовая) установка для проверки эффективности извлечения 'Be

3.3. Получение ацетилацетоиата бериллия

3.4. Проект модуля литиевого детектора

3.5. Выводы

Глава 4. Методы счета единичных атомов

у

4.2. Регистрация Be в пропорциональном счетчике 105

4.2.1. Исследование летучести соединений бериллия 105

4.2.2. Оптимизация параметров и режима работы пропорционального счетчика в одноэлектронной области 109

4.2.3. Выбор рабочего газа 115

4.2.4. Измерения фона 117

4.2.5. Плоский пропорциональный счетчик 120 у

4.3. Регистрация Be в криогенном детекторе 123 j

4.4. Регистрация Be в детекторе из сверхчистого германия 127

4.4.1. Оценка эффективности регистрации у-квантов у от распадов Be в германиевом детекторе 127 v 7

4.4.2. Ожидаемое количество событий от распадов Be 128 7

4.4.3. Моделирование событий от распадов Be в германиевом детекторе 129 Заключение. 132 Приложение Л.

Соотношения между углами и энергиями в реакциях нейтронов с литием. 134 Приложение Б.

7 7 7

Выход Be в реакции

Li(p,n) Be 137

Литература. 140

Введение.

Современное состояние исследования солнечных нейтрино.

Заключение.

Сформулируем основные результаты диссертации:

1. Проведены расчеты, показывающие принципиальную возможность увеличенного по сравнению с ССМ потока нейтрино от реакции С+е +ve , обусловленную перемешиванием между центральной и внешними областями Солнца.

2. Показано, что литий-бериллиевый эксперимент по регистрации солнечных нейтрино позволит, совместно с данными других экспериментов, сделать выбор между солнечными моделями с различным содержанием металлов, включая модели с перемешиванием.

3. Проведен расчет каналов фона в литий-бериллиевом детекторе солнечных нейтрино. Показано, что вклад от внешних источников фона 0.15 SNU) пренебрежимо мал по сравнению с эффектом от солнечных нейтрино

22 SNU с учетом осцилляций).

4. Измерена радиационная загрязненность образцов лития, который планируется использовать в качестве мишени. Установлено, что содержание урана и тория в образце менее 4-10'10 г/г. При такой концентрации этих элементов величина фона от изотопов соответствующих рядов составляет менее 1% от ожидаемого эффекта от солнечных нейтрино.

5. На лабораторных установках отработана процедура извлечения бериллия из металлического лития с эффективностью извлечения более 95%, при этом потери лития в результате процедуры извлечения не превышают 1%. Установлено, что извлечение бериллия из металлического лития должно проводиться в термостатическом режиме, т.е. нет необходимости манипулировать температурой во время процедуры извлечения с целью получения большей эффективности этого процесса. Это позволит не только упростить технологический процесс, но и существенно уменьшить потребление энергии.

6. Изучены термодинамические свойства соединений бериллия, которые можно использовать для измерения активности 7Ве в пропорциональном счетчике или другом газонаполненном детекторе.

7. Измерена эффективность счета 7Ве в пропорциональном счетчике при температуре 200°С (60%). Показана принципиальная возможность измерения активности извлеченного бериллия с высокой эффективностью в криогенном детекторе. Кроме того, с помощью моделирования по методу Монте-Карло показано, что возможна регистрация распадов 7Ве в полупроводниковом детекторе из сверхчистого германия с удовлетворительной точностью (погрешность измерения скорости образования Be в литиевом детекторе от солнечных нейтрино может составить 10% за пять лет при регистрации распадов с помощью HPGe детектора массой 4 кг).

В заключение автор выражает глубокую признательность Г.Т.Зацепину за неизменный интерес и поддержку и научному руководителю А.В.Копылову, под непосредственным руководством которого выполнялась большая часть работ, составляющих эту диссертацию. Автор искренне благодарен также И.В.Орехову и Е.А.Яновичу за неоценимую помощь в исследованиях и плодотворные обсуждения. Хотелось бы выразить искреннюю признательность Г.Я.Новиковой, без которой были бы невозможны работы по экстракции бериллия и синтезу его соединений, а также В.Э.Янцу, сконструировавшему и изготовившему пропорциональные счетчики для измерений при высокой температуре. Автор также благодарит В.Н.Гаврина, Ю.И.Захарова и А.Е.Соломатина, в соавторстве с которыми были выполнены некоторые работы.

1. Thomson, Sir William On the Age of the Sun's Heat 1. Macmillan's Magazine, 1862. v.5, pp.288-293

2. S.Turck-Chieze Solar Interior: Standard Models II in Encyclopedia Of Astronomy And Astrophysics, ed. P.Murdin, Nature Publishing Group, 2002

3. C.F. von Weizsacker Uber Elementumwandlungen im Innern der Sterne. I II Physik. Z.,1937. v.38, p. 176

4. H.A.Bethe and C.L.Critchfield The Formation of Deuterons by Proton Combination II Phys. Rev., 1938. v.54, p.248

5. H.A.Bethe Energy production in Stars II Phys. Rev., 1939. v.55, p.436

6. J.N.Bahcall Solar Models: an Historical Overview II Nucl.Phys.B, 2003. v. 118, p.77

7. John N.Bahcall How the Sun Shines II SLAC Beamline, 2001. v.31, No.l, p.2

8. J.N.Bahcall, M.H.Pinsonneault, S.Basu Solar models: current epoch and time dependences, neutrinos, and helioseismological properties II Astrophys. J. 2001. v.555, p.990

9. W.C.Haxton Neutrino Astrophysics II arXiv:nucl-th/0808.0735, 2008

10. C.F. von Weizsacker Uber Elementumwandlungen in Innern der Sterne. IIII Physik. Z., 1938. v.39, p.633

11. G.W.Collins, II The Fundamentals of Stellar Astrophysics II The Ohio State University, 2003

12. B.Ricci, G.Fiorentini Helioseismology, solar models and solar neutrino II Nucl. Phys. В Proc. Suppl., 2000. v.81, p.95

13. B.Ricci Solar models and solar neutrinos II www.fe.infn.it/~ricci

14. G.Fiorentini, B.Ricci How long does it take for heat to flow through the sun? 11 ArXiv: astro-ph/9702133

15. J.N.Bahcall, A.M.Serenelli, S.Basu New Solar Opacities, Abundances, Helioseismology, and Neutrino Fluxes II ApJ, 2005. v.621, L85

16. C.Pena-Garay, A.M.Serenelli Solar neutrinos and the solar composition problem // arXiv:0811.2424v 1 astro-ph.

17. J.N.Bahcall, R.K.Ulrich Solar Models, Neutrino Experiments, and Helioseismology И Rev. Mod. Phys., 1988. v.60, #2, p.297

18. H.Costantini, A.Formicola et al. (LUNA collaboration) LUNA: a Laboratory for Underground Nuclear Astrophysics И Rep. Prog. Phys., 2009. v.12, p.086301

19. C.Pena-Garay Solar Neutrinos and Solar Composition И XTTT International Workshop on "Neutrino Telescopes", 2009

20. J.N.Bahcall, A.M.Serenelli, S.Basu 10,000 Standard Solar Models: A Monte Carlo Simulation И Astrophys.J.Suppl.Ser., 2006. v. 165, p.400

21. Данные со страницы http://www.sns.ias.edu/~jnb/

22. S.Turck-Chieze What We Know and don't Know about Neutrino Production in the Stars? И In Proc. of the NEUTRINO 2006, Santa Fe, USA

23. R.Davis (Jr) et al. Search for neutrinos from the Sun И Phys.Rev.Lett.1968. v.20, p.1205.

24. B.T.Cleveland et al. Measurement of the solar electron neutrino flux with the Homestake chlorine detector И Astrophys. J. 1998. v.496, p.505.

25. Р.Дэвис Полвека с солнечными нейтрино И УФН, 2004. т. 174, №4, с.40836

26. J.N.Bahcall et al. Present status of the theoretical predictions for the CI solar-neutrino experiment II Phys. Rev. Lett. 1968. v.20, p. 1209

27. C. Amsler et al. Solar Neutrinos Review Revised December 2007 by K.Nakamura // Particle Data Group, PL, 2008. V.B667, p.l

28. J.N.Bahcall How many sigma's is the solar neutrino effect? И Phys. Rev. C, 2002. v.65, p.015802

29. SAGE Collaboration, J.N.Abdurashitov et al. Measurement of the solar neutrino capture rate in SAGE I/ Nucl.Phys.Proc.Suppl., 2003. v.l 18, p.39

30. GALLEX Collaboration, W.Hampel et al. GALLEXsolar neutrino observations: Results for GALLEX IVII Phys. Lett. B, 1999. v.447, p. 127

31. GNO Collaboration, M.Altmann et al. Complete results for five years of GNO solar neutrino observations II Phys. Lett. B, 2005. v.616, p. 174

32. Kamiokande Collaboration, Y.Fulcuda et al. Solar neutrino data covering solar cycle 22 И Phys. Rev. Lett., 1996. v.11, p.168333