Исследование осцилляций нейтрино в реакторных экспериментах тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.16 ВАК РФ

СИНЁВ Валерий Витальевич

Исследование осцилляций нейтрино в реакторных экспериментах

01.04.16 —физика атомного ядра и элементарных частиц

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени доктора физико-математических наук

МОСКВА —2014

005547876

005547876

СИНЁВ Валерий Витальевич

Исследование осцилляций нейтрино в реакторных экспериментах

01.04.16 —физика атомного ядра и элементарных частиц

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени доктора физико-математических наук

МОСКВА —2014

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном учреждении науки Институте ядерных исследований российской Академии наук (ИЯИ РАН) и РНЦ «Курчатовский институт»

Официальные оппоненты:

доктор физико-математических наук

А. С. Барабаш (ИТЭФ)

доктор физико-математических наук

А. И. Студеникин (МГУ)

доктор физико-математических наук

В. А. Рябов (ФИАН)

Ведущая организация - Объединенный институт ядерных исследований, ЛЯП, г. Дубна.

Защита состоится «20» июня 2014 г. в 12.00 часов на заседании диссертационного совета Д 002.119.01 в ИЯИ РАН по адресу: 117312, Москва, В-312, проспект 60-летия октября, 7а, тел. 499-135-7760.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ИЯИ РАН

Автореферат разослан «

Ученый секретарь

диссертационного совета Д 002.119.01 кандидат физико-математических наук

Б. А. Тулупов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы

Проблема нейтринных осцилляций является актуальной на протяжении нескольких десятилетий. Наблюдение осцилляций косвенно указывает на наличие ненулевой массы покоя нейтрино. Впервые эффект нейтринных осцилляций был замечен в потоке солнечных нейтрино в виде нехватки наблюдаемого количества нейтрино по сравнению с предсказываемым Стандартной солнечной моделью (ССМ). Тогда осцилляции рассматривались, как одна из гипотез. Позднее эксперимент KamLAND подтвердил существование осцилляций электронных нейтрино, измеряя спектр реакторных антинейтрино на таком расстоянии от ядерного реактора, на котором должны проявляться осцилляции с теми параметрами, которые следовали из экспериментов с солнечными нейтрино. Одновременно эксперимент SNO показал соответствие потока нейтрино от Солнца предсказываемому по ССМ в нейтральном канале и нехватку нейтрино в заряженном, что подтвердило гипотезу об осцилляции солнечных нейтрино. Наряду с этим были экспериментально получены доказательства осцилляций мюонных нейтрино в таонные. Сначала в потоке атмосферных нейтрино (детектор Super Kamikande), затем в потоках мюонных нейтрино от ускорителя (эксперименты MINOS, К2К, Т2К). Оставался необнаруженным канал осцилляций электронных нейтрино в таонные. Обнаружение осцилляций в последнем осцил-ляционном канале позволит получить полную матрицу смешивания активных типов нейтрино и подтвердить, таким образом, феноменологическую теорию осцилляций. В настоящей работе рассматривается первый результат измерения угла смешивания 913 в коллаборации Double Chooz, который был подтвержден измерением с высокой точностью в эксперименте Daya Bay и в третьем эксперименте RENO.

Наряду с осцилляциями трех активных типов нейтрино рассматривается вероятность осцилляции активных типов нейтрино в стерильное состояние. Имеются косвенные указание на это из экспериментов с различными источниками нейтрино. В данной работе рассматриваются эксперименты по поиску стерильных нейтрино. Один из экспериментов по поиску таких осцилляций использует новый тип детектора, который может позволить с высокой достоверностью обнаружить переходы в стерильное состояние.

Наряду с изучением свойств нейтрино и антинейтрино в экспериментах актуальным является создание метрологической базы для проведения надежного анализа полученных данных. Особенно это касается экспериментов с реакторными антинейтрино. По мере совершенствования приборов для регистрации нейтрино требуется большая точность в знании констант, посредством которых производится моделирование эксперимента, расчета искомых эффектов. Так для экспериментов с реакторными антинейтрино на сегодня самым слабым звеном в таких расчетах являются спектры основных делящихся в реакторе изотопов.

Уникальные свойства нейтрино делают его незаменимым при исследованиях явлений недоступных другим методам исследования (оптические, радиоволновые, рентгеновские и пр.). Нейтрино обладает столь малым сечением взаимодействия, что проходит через любые толщи вещества. Очень перспективным представляется использовать нейтринные детекторы для исследования внутренних слоев Земли. Нейтрино, производимые радиоактивными изотопами, находящимися в недрах Земли могут быть зарегистрированы детектором, расположенным на поверхности. Таким образом, можно определить количество радиоактивных элементов в Земле и сопоставить производимое ими тепло с полным тепловым потоком Земли. Опыт первых экспериментов (КатЬАЖ) и ВОКЕХШО), уже зарегистрировавших нейтринное излучение Земли показывает, что для определения точного потока геонейтрино требуется сцин-тилляционный детектор с массой мишени не менее 10 кт. Такого же типа детекторы могут регистрировать и нейтринные вспышки

при коллапсах ядер массивных звезд и обнаружить реликтовое нейтринное излучение, накопившееся за всю историю существования Вселенной. При регистрации вспышки сверхновой на расстоянии до 10 кпс детектором с массой более 10 кг статистическая точность позволит провести анализ антинейтринного спектра от сверхновой и по его форме определить иерархию нейтринных масс.

Цель работы

1. Обнаружение ранее не наблюдавшегося угла смешивания нейтрино 813 в эксперименте с антинейтрино от ядерного реактора. Учитывая, что массовый параметр Ат2п, примерно равен Д/и223, то максимальный эффект осцилляций должен проявляться на расстояниях 1-2 км от ядерного реактора, учитывая энергетический спектр реакторных нейтрино. Измерение последнего элемента матрицы смешивания стало возможным после предложенного автором нового метода проведения эксперимента с использованием двух идентичных детекторов, расположенных на разных расстояниях от ядерного реактора. Был представлен проект эксперимента, который должен был десятикратно увеличить чувствительность к амплитуде осцилляций. Предполагалось, что искомый параметр осцилляций может быть менее 0.03, что предъявляет соответствующие требования к чувствительности.

2. Поиск осцилляций реакторных антинейтрино в стерильное состояние. Разработка методов, позволяющих анализировать совместно данные разнородных экспериментов. Анализ ранее сделанных измерений спектров антинейтрино от реактора разными группами исследователей.

3. Улучшение метрологической базы реакторных экспериментов. Разработка метода получения спектров антинейтрино парциальных делящихся изотопов из экспериментально измеренного спектра антинейтрино. Метод применяется к спектру антинейтрино, измеренного для стандартного состава топлива реактора на ровенской АЭС в 1988-1990.

4. Разработка научного обоснования для постройки большого

сцинтилляционнош детектора в Баксанской нейтринной обсерватории ИЯИ РАН для измерения природных нейтринных потоков.

Научная новизна и практическая ценность работы

Предложен новый метод проведения эксперимента с реакторными нейтрино с использованием двух идентичных детекторов, расположенных на разных расстояниях от реактора.

Впервые обнаружены осцилляции антинейтрино в канале, не наблюдавшемся ранее. Эффект осцилляции был обнаружен на предсказанном расстоянии от источника антинейтрино. Такое же значение величины угла смешивания 913 было получено в сходных реакторных экспериментах Daya Bay и RENO.

Предложен оригинальный метод анализа реакторных экспериментов, выполненных ранее в разных странах по поиску нейтринных осцилляций на близких расстояниях. Метод основывается на анализе отношений энергетических спектров, измеренных на разных расстояниях вместо анализа абсолютных спектров.

Совместный анализ отношений спектров антинейтрино, полученных в экспериментах на разных расстояниях от реактора, выявил области возможных параметров осцилляций, которые перекрывается с областями, следующими из экспериментов с не реакторными нейтрино.

При анализе данных экспериментов с реакторными антинейтрино требуется точное знание энергии, выделяемой при делении основных делящихся изотопов. Получены новые значения энергий деления для четырех изотопов: 235U, 238U, 239Pu, 241Pu. Удалось вдвое улучшить точность значений энергий деления. В настоящее время эти значения используются как эталонные во всех реакторных экспериментах.

Предложен метод выделения спектров антинейтрино отдельных изотопов из экспериментального спектра антинейтрино. Впервые получен спектр 23 8U, который ранее получался только расчетным путем.

Предложен проект сцинтилляционного детектора с большой

массой мишени (больше 10 кт) для регистрации нейтринных и антинейтринных потоков природного происхождения. Проведены расчеты спектров антинейтрино, которые могут регистрироваться таким детектором. Показана возможность создания такого детектора на базе Баксанской нейтринной обсерватории ИЯИ РАН.

На защиту выносятся следующие научные результаты:

1. Метод использования двух идентичных детекторов для проведения экспериментов в потоке реакторных антинейтрино. Он позволяет избавиться от систематической ошибки, связанной с реакторными спектрами и параметрами детектора.

2. Экспериментальное измерение последнего угла смешивания нейтрино из матрицы Маки-Накагавы-Сакаты-Понтекорво 013 при осцилляциях реакторных электронных антинейтрино в таонные минуя мюонное состояние.

3. Предлагается метод анализа разнородных экспериментов на основе отношений спектров, не зависящий от функции отклика детектора.

4. Исследование реакторных экспериментов на предмет существования стерильных нейтрино. Обнаружен новый массовый параметр, который может быть индикатором осцилляций в это состояние = 0.9 эВ2 при амплитуде 5Ш22814 = 0.04-0.05.

5. Предлагается метод разделения экспериментального спектра антинейтрино на компоненты. За основу взяты результаты, полученные в ровенском эксперименте при стандартном составе топлива активной зоны ядерного реактора. Компоненты спектра происходят от четырех основных делящихся изотопов (235и, 238и, 239Ри, 241Ри).

6. Результаты экспериментального измерения спектра 23 8и на базе экспериментов в Ровно.

7. Научное обоснование использования большого сцинтилляци-оннош детектора для регистрации природных нейтринных потоков. Расчеты эффекта в детекторе от различных природных потоков, которые показывают, что необходимая статистика от геонейтрино может быть набрана детектором с мишенью 5-10 кт за 10 лет из-

мерений. При этом вспышка сверхновой в центре нашей Галактики будет уверенно зарегистрирована со статистикой в несколько тысяч событий.

Апробация работы

Результаты работы докладывались автором на научных семинарах Курчатовского Института, Дубны и ИЯИ РАН; на международной школе по физике слабых взаимодействий при низких энергиях в 1990 г. (LEWI-90); на Международной конференции в Японии (Conference on Neutrino Science, Сендаи, Япония) 2002; Международных конференциях NANP (1999-2005, Дубна); Международной конференции Neutrino Geoscience 2010 (Италия); рабочих совещаниях Коллаборации Double Chooz.

Личный вклад

1. В соавторстве с JI.А. Микаэляном предложен метод использования двух идентичных детекторов для проведения экспериментов в потоке реакторных антинейтрино. Метод позволяет избавиться от систематической ошибки, связанной с реакторными спектрами и параметрами детектора.

2. Автор принимал участие в подготовке эксперимента в Красноярске, организовывал международное рабочее совещание в Красноярске. Идея этого проекта была перенесена в реализованный эксперимент Double Chooz во Франции.

3.При личном участии автора проводилась подготовка эксперимента Double Chooz. Автором принимал активное участие на всех стадиях подготовки эксперимента: предварительные расчеты эффектов, участие в заливке детектора жидким сцинтиллятором, участие в проведении измерений, предварительный анализ измеренного спектра.

3. Автором был разработан метод анализа разнородных экспериментов на основе отношений спектров, не зависящий от функции отклика детектора. Метод позволяет проводить анализ разнородных экспериментов на реакторах.

4. Автор лично проводил анализ реакторных экспериментов, в котором получено указание на возможное существование четвертого типа нейтрино (возможно стерильного). Массовый параметр осцил-ляций в это состояние = 0.9 эВ2 при амплитуде 5П122014 = 0.04-0.05.

5. Автором предложен метод разделения экспериментального спектра антинейтрино, измеренного в ровенском эксперименте при стандартном составе топлива активной зоны ядерного реактора на составляющие его компоненты от четырех основных делящихся изотопов (235и, 238и, 239Ри, 241Ри).

6. Впервые автором получен из экспериментально измеренного спектра антинейтрино от ядерного реактора в Ровно спектр антинейтрино, испускаемый 238И, который ранее учитывался только расчетным путем.

7. Автором проведены расчеты эффекта от различных природных потоков нейтрино и показано, что использование большого сцинтил-ляционного детектора с массой более 10 кт позволит измерить часть из них с большой точностью: поток и спектр геонейтрино, спектр от сверхновой на расстоянии до 10 кпс.

Публикации

Основные результаты диссертации опубликованы в 32 печатных работах, список которых приведен в конце автореферата.

Структура и объем диссертации

Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения и списка цитируемой литературы. Она содержит 160 страниц текста, 65 рисунков, 18 таблиц и список цитируемой литературы из 145 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ

Во Введении описывается история открытия нейтринных осцилляций. Рассматриваются предпосылки проведения новых экспериментов на ядерных реакторах. Обосновывается актуальность задачи по измерению последнего угла смешивания нейтрино и

завершению исследования матрицы Понтекорво-Маки-Накагавы-Сакаты. Изложены цели и методы исследований, представлены положения, выносимые на защиту.

Глава I

Поиски и открытие нейтринных осцилляций

В первой главе рассматриваются эксперименты с солнечными, атмосферными и реакторными нейтрино, в которых были открыты нейтринные осцилляции.

В конце двадцатого века были проведены два радиохимических эксперимента с солнечными нейтрино: хлор-аргоновый и галлий-германиевый. Результат оказался существенно меньше, предсказываемого стандартной солнечной моделью. В результате возродилась гипотеза осцилляций нейтрино, предложенная Б. Понтекорво.

Нехватка солнечных нейтрино стимулировала поиски нейтринных осцилляций на ядерных реакторах. Было несколько сообщений об обнаружении осцилляций, но позднее они были опровергнуты другими реакторными экспериментами. Во всех реакторных экспериментах используется реакция обратного бета распада на протоне для регистрации нейтринного потока.

+р-> п + е+(7Гл= 1.806 МэВ). (1)

На близких расстояниях (до 1 км) осцилляции не были обнаружены. Этот результат показан на рис. 1.

В специальном реакторном эксперименте КатЪАЖ) были обнаружены осцилляции, которые соответствовали по параметрам солнечным нейтрино. При энергиях реакторных нейтрино они должны были эффективно проявляться расстоянии 160-180 км от реактора. Эксперимент был проведен в Японии и обнаружил предсказанные осцилляции.

Таким образом, были подтверждены осцилляции солнечных нейтрино в независимом эксперименте. По данным эксперимента КатЬАЖ) параметры осцилляций:

1.3 I—

1.2

6

14

1-ш.

2 - Ксупо,

3 - Ви^еу-Д 4-Вигеу-З

5 1.0

С?

1.1

Рс\пэ Согг, Ксппэ N0-1

Ксупо N0-1

0.9

0.8

10 - КгэБпсуагек 11-6о5Ееп

13

12 - Ви^еу-З

0.6

0.7

1

13 - Исут.О 1Э9Э

14-Кга5Поузг5к

15-Ра1оУегйе

16-СЬ002

0.5

10Р

Расстояние до реактора, м Рис. 1. Отношение эффектов измеренного и ожидаемого в реакторных экспериментах на близких расстояниях

Параллельно с солнечными и реакторными экспериментами проводились эксперименты с атмосферными нейтрино. Первый детектор, обнаруживший аномалию в потоках атмосферных нейтрино, был черенковский детектор КатюкапБЕ. Первоначально этот детектор был построен с целью поисков распада протона, но он регистрировал и нейтрино из атмосферы, рождаемые там за счет взаимодействия космических лучей с ядрами газов, образующих атмосферу Земли. Производимые в атмосфере нейтрино состоят из двух типов: мюонных и электронных, причем на каждое электронное нейтрино приходится два мюонных (нейтрино и антинейтрино).

Однако в эксперименте детектора КатюкапБЕ обнаружилась аномалия в числе мюонных нейтрино.

Ат1 = 7.58^ ^^а!.)!^^.) хЮ'5 эВ2.

Для более точных измерений был построен новый детектор с массой мишени 50 тысяч тонн воды и назван Super-Kamiokande. Этот эксперимент подтвердил данные Kamiokande и получил доказательства осцилляций атмосферных нейтрино. Массовой параметр осцилляций атмосферных нейтрино оказались другими, чем у солнечных нейтрино. Это потребовало введение третьего типа нейтрино - таонного.

Для проверки результатов Super-Kamiokande были проведены эксперименты на ускорителях, которые полностью подтвердили данные об осцилляциях атмосферных нейтрино. Полученные массовые параметры осцилляций почти в 30 раз превосходят данные, следующие из солнечных экспериментов.

По результатам всех экспериментов с мюонными нейтрино на исчезновение (Super-Kamiokande, К2К, MINOS и Т2К) Particle Data Group в 2012 году сообщает следующие параметры для осцилляций мюонных нейтринло в таонные: sin22023 > 0.95 (90%C.L.), АОТ22з=(2.321^)Ю-3ЭВ2

Глава II

Феноменология осцилляций нейтрино

Вторая глава посвящена феноменологии нейтринных осцилляций. Обсуждается .матрица смешивания Понтекорво-Маки-Накагавы-Сакаты. До 2012 г. еще не была известна величина угла смешивания 613. Приводятся данные эксперимента SNO, подтвердившего осцилляции в спектре борных нейтрино от Солнца и измерившего полный поток борных нейтрино.

На основании экспериментов с нейтрино, обнаруживших осцилляции была построена феноменологическая теория, описывающая осцилляции нейтрино, то есть переходы одного типа в другой и обратно. В основе теории лежит утверждение, что нейтрино, рождаемое в слабых процессах, представляет собой суперпозицию трех состояний с определенной массой, которые являются решениями уравнения Дирака. Переходы одного типа в другой определяются

матрицей смешивания, которая носит имя Понтекорво-Маки-Накагавы-Сакаты.

Однако для потока солнечных нейтрино такого описания оказалось недостаточно, поэтому был предложен усовершенствованный механизм осцилляций с учетом вещества, в котором происходит распространение нейтринного пучка. Этот механизм основан на резонансном усилении эффекта осцилляций.

Феноменологическая теория нашла замечательное подтверждение в эксперименте SNO с солнечными нейтрино. В этом эксперименте был измерен спектр борных нейтрино и показано, что полное количество нейтрино соответствует Стандартной солнечной модели. В эксперименте использовалась тяжелая вода в качестве мишени массой 1000 т для исследования взаимодействия нейтрино с дейтроном в нейтральном и заряженном каналах.

Глава III

Эксперименты по поиску угла смешивания 613 на ядерных реакторах. Открытие угла смешивания В13

Обсуждаются проекты и эксперименты по измерению угла смешивания QI3, который до настоящего времени считачся нулевым или очень малым. Приводятся результаты измерения Q13 коллаборацией Double Chooz.

В начале XXI века стартовали сразу три реакторных эксперимента по измерению угла смешивания <9,3. Они все используют относительный метод измерения, который позволяет многократно подавить систематическую погрешность. Впервые такая постановка эксперимента была предложена в [1], где было отмечено, что использование идентичных детекторов позволяет избавиться от систематической погрешности, а статистическая может быть сделана сколь угодно малой.

Первый проект эксперимента по измерению угла смешивания 013 был предложен в нашей стране для реализации на Красноярском промышленном ядерном реакторе [2,3]. Проект расположения идентичных детекторов показан на рис. 2.

Krasnoyarsk reactor underground site: 600 in w.e. Reai-tor Detectoi ! Detector 2

V,

О

e

Target:

Rati::

S.B

115m 46 t 4200/i » 1

1000 m 46 t 55/d ~ 10:1

Рис. 2. Схема эксперимента с двумя идентичными детекторами на примере предлагаемого проекта в Красноярске

Было показано, что отношение спектров антинейтрино зависит только от параметров осцилляций и, в случае расположения ближнего детектора в месте, где осцилляции еще не работают, может быть просто равно вероятности осцилляций.

S, il-sin220-sm2 А/')

~f=Cl-5-(2)

S„ (l - sin 29 ■ sin Arcj

где Ду= (1.267 - Am2atm-LfIE) и А„ = (1.267 - Am2alm-L„ IE).

На рис. 3 показана чувствительность предлагаемого эксперимента.

По ряду причин, одной из которых оказалось закрытие реактора, этот проект был остановлен.

Реализация проекта по измерению 9]3 началась в эксперименте Double Chooz [4]. В нем впервые было показано, что значение угла 013 ненулевое [5-9].

В коллаборации Double Chooz измерения пока ведутся с одним детектором на дальнем расстоянии (1 км). Ближний детектор, как ожидается, вступит в строй в 2014 году.

Схема детектора показана на рис.4, в его основе лежит четы-рехзонная геометрия. Первая внутренняя зона представляет из себя мишень для нейтрино. Она состоит из жидкого сцинтиллятора с добавкой Gd (8.5 т) для более быстрого захвата нейтронов реакции

Дnr. eV-

_I_I. I I I nil_I_■ I I I III!

0.01 0.1 1 sin2 26

Рис. 3. Ожидаемые ограничения эксперимента Кг20е1 на параметры осцилляций. Показана чувствительность детектора по сравнению с ограничением эксперимента СНОСЙ [М. АроПопю е1 а1. РЬуБ. 1..ей., В420, 397, 1998]. Показана также область параметров атмосферных нейтрино

/ш

Схема детектора Double Chooz.

veto (OV) veto (IV) buffer (B)

stainless steel vessel holding 392 PMTs

catcher (GC)

acrylic vessels

(NT)

shielding

(1) и уменьшения фонов. Мишень окружена детектором из жидкого сцинтиллятора без С<± Он предназначен для увеличения эффективности регистрации гамма-квантов, выходящих из мишени наружу. Корпуса мишени и поглотителя гамма-квантов прозрачные.

Далее следует зона буфера для защиты центральных детекторов от внешних гамма-квантов. Эта зона содержит чистое минеральное масло и служит также световодом. На корпусе буфера закреплены фотоумножители, просматривающие мишень и гамма-поглотитель. Снаружи находится зона, также заполненная сцинтиллятором, служащая детектором антисовпадений от космических мюонов. Весь детектор расположен в стальном корпусе толщиной 17 см.

Хорошая защита позволила измерить с большой точностью различные фоны детектора [7]. Их различают три типа: фон случайных

> 30

кС

® 2.5

Ы 2.0 1.5 1.0

0.5

2 4 6 8 10 12

prompt Energy (MeV) Рис. 5. Суммарный спектр фонов, измеренный детектором Double Chooz во время остановки двух реакторов. Черные точки — экспериментальные данные, Желтая область — модельный спектр всех фонов: сплошной линией показан спектр 8He/9Li, мелкая штриховая линия — быстрые нейтроны от мюонов, крупная штриховая — случайный фон, пункта];) - остаточное антинейтринное

излучение реактора

1 1—I 1 Г

^ Background model

---|i-n

........ ц/fasl n

...........••• Accidentals

- - Residual v • Reactor-off data

Expected events: 14.8±4.0 Observed events: 8

совпадений, фон быстрых нейтронов и остановившихся мюонов и фон от радиоактивных изотопов космогенного происхождения (8He/9Li). Кроме того имеется световой фон от делителей напряжения ФЭУ, который подавляется анализом формы импульса.

На рис. 5 показаны эти фоны, полученные за время измерения, когда оба реактора станции не работали.

За время измерения была набрана статистика около 9000 событий при работе в стандартном режиме, то есть при регистрации нейтрона только по захвату на Gd. При этом в качестве мишени используется только объем мишени. Данные измерения за год приведены в табл. 1.

В то же время был сделан анализ событий во всем детекторе, включая поглотитель гамма-квантов (Gamma-catcher), при этом использовались данные по поглощению нейтрона только водородом. Таким образом, чувствительный объем был увеличен втрое [9]. Результат анализа оказался таким же, как и при анализе событий с поглощением нейтрона гадолинием.

Таблица 1. Данные измерений и предсказания сигналов и фонов

за время измерений

Оба реактора ON Один из реакторов Pth < 20% Всего

Время(дни) 139.27 88.66 227.93

События ОБР 6088 2161 8249

Реактор В1 2910.9 774.6 3685.5

Реактор В2 3422.4 1331.7 4754.1

Космогенный фон 174.1 110.8 284.9

Коррелированный фон 93.3 59.4 152.7

Случайный фон 36.4 23.1 59.5

Суммарно 6637.1 2299.7 8936.8

При анализе событий использовались следующие критерии отбора:

1. Время между первым и вторым импульсами ДГ= Лте^^гоп "'роэт оп должно находиться в интервале времен 2-100 мкс.

2. Амплитуда первого события должна лежать в интервале энергий 0.7 - 12.2 МэВ.

3. Амплитуда второго события должна лежать в интервале энергий 6.0 -12.0 МэВ.

4. Кратность второго события должна быть равна одному. После первого события не должно быть событий в интервале времен 100-400 мкс.

На рис. 6 показан спектр позитронов, измеренный в Double Chooz вместе с предсказанным спектром.

1400

0) Е ю

о 1200

м

с

ф ____

800 —

600 —

400 —

f 14

Т~

~п

С 1

1.2 1.0 | 0.8 3 о.б во

Double C "iooz 2012 Total Data No Oscillation, Best-fit Backgrounds Best Fit: sin^e 1-0.109 at Amj, « 0.00232 eV2 b'M.o.f. • 42.1/35) from fttlo two integration periods. Summed Backgrounds (see insets) Lithium-fl

Fast n an d Stopping [i Accidentiils

Tt5—Я

Energy [MeV]

-50 — -100

- + 1 ul,. - , ,

tAT

Energy [MeV]

Рис. 6. Спект):) позитронов, измеренный в дальнем детекторе Double Chooz (черные точки). Голубым цветом показан ожидаемый спектр в отсутствие осцилляции, красная линия — наилучшее описание спектра при найденных параметрах осцилляций. На вкладке показаны фоны детектора. На верхней панели снизу - отношение измеренного спектра и предсказанного. Ниже — абсолютная разница между измеренным и предсказанным спектрами

В 2012 г. в коллаборации Double Chooz получено следующее значение этого параметра: sin22013=O.lO9± 0.03 (стат.)± 0.025 (сист.) [6]. При анализе данных по поглощению нейтрона на водороде результат оказался 8т22913=0.097±0.034(стат.)±0.034(сист.) [9]. Большие или сравнимые ошибки в результате этого анализа, несмотря на большую статистику, объясняются увеличением фонов и уменьшением эффективности регистрации.

Следующий реализованный эксперимент по измерению угла смешивания 0]3 был проведен в Китае вблизи атомной станции Day а Bay и получил такое же название. Недалеко также расположена еще одна станция Ling Ао. Место проведения этого эксперимента находится на юго-востоке Китая, недалеко от Гонконга.

Вместо одного детектора в этой коллаборации было решено использовать комбинированные детекторы. Несколько детекторов устанавливаются в один бассейн с водой для защиты от внешнего гамма и нейтронного излучения. Всего использовалось 6 детекторов: три в качестве комбинированного дальнего, два вблизи атомной станции Daya Bay и один вблизи станции Ling Ао. Масса мишени каждого детектора в два раза больше, чем в Double Chooz и составляет 20 т.

В эксперименте Daya Bay было получено самое точное значение угла смешивания из реакторных экспериментов 013-sin22013 = 0.089 ± 0.010 (стат.) ± 0.005 (сист.).

Еще одним экспериментом, подтвердившим своими измерениями результаты Daya Bay и Double Chooz, стал эксперимент RENO, выполненный в южной Корее. Он расположен на расстоянии 250 км на юго-запад от Сеула.

Используется детектор той же конструкции, что и в Double Chooz и Daya Bay, но масса мишени 16 т. Всего два детектора установлены на расстояниях 294 м и 1380 м от оси, вдоль которой выстроены шесть реакторов станции с суммарной мощностью 16.4 ГВт.

После года измерений были получены спектры позитронов реакции ОБР (1). Как и ожидалось, макушка спектра на дальнем расстоянии оказалась «выеденной» по сравнению со спектром ца

ближнем расстоянии.

Отношение интегралов спектров дало значение R = 0.920 ± 0.009 (stat.) ±0.014 (syst.).

Анализ пока был сделан только для интенсивностей антинейтринного потока. Форма спектра в расчет не принималась. Однако было получено значение угла смешивания нейтрино такое же как и в экспериментах Double Chooz и Daya Bay - sin22013 = 0.113 ± 0.013 (stat.) ± 0.019 (syst.) при Дm2 = 2.32 x 10"3 эВ2.

Гипотеза отсутствия осцилляций отвергается на уровне 4.9 стандартных отклонения.

В обзоре Particle Data Group за 2012 г. Приведено усредненное значение по трем экспериментам 0.098 ± 0.013.

Глава IV

Поиски стерильных нейтрино

В четвертой главе обсуждаются проблемы поиска стерильных нейтрино. Рассматриваются эксперименты, наблюдающие аномалии при регистрации нейтрино. Аномалии могут трактоваться, как наблюдение нового осцишяционного канала.

В потоках солнечных нейтрино и атмосферных нейтрино найдены параметры осцилляций, отличающиеся по массовому параметру более чем 30 раз. Это дало основания утверждать, что число типов нейтрино не менее трех. Обнаружение дополнительных массовых параметров приведет к увеличению числа типов нейтрино.

За время экспериментов с нейтрино накопилось уже много данных, которые трудно объяснить наличием только трех активных нейтрино. Имеются указания на возможное существование четвертого типа нейтрино (а возможно и более). Эти новые типы нейтрино характеризуются тем, что они не взаимодействуют с веществом вообще (или гораздо слабее активных типов), что дало повод называть их стерильными.

Первым свидетельством существования аномально большого массового параметра стал ускорительный эксперимент LSND, в котором обнаружилось неестественно большое количество элек-

тронных нейтрино в потоке мюонных, которое не объяснялось существующими фонами. Эксперимент MiniBOONE подтвердил этот результат. В работах [10, 11] предлагалось проверить результаты эксперимента LSND в эксперименте на реакторе, используя идею с двумя идентичными детекторами.

Следующим свидетельством стал факт нехватки нейтрино при калибровке детекторов солнечных нейтрино SAGE и GALLEX/ GNO. Результат первой калибровки в обоих детекторах с точностью в 10% совпадал с ожидаемым значением, но вторая калибровка неожиданно дала значение 0.8 для отношения числа измеренных событий от источника к рассчитанным событиям. Попытка описать это осцилляциями дала массовый параметр, близкий к результатам LSND и MiniBOONE.

Рис. 7. Области, разрешенных параметров по данным экспериментов с нейтрино на уровне достоверности 90% C.L. Синяя линия - LSND, сиреневая -MiniBooNE и совместный анализ MiniBooNE и SciBooNE, черная линия— данные калибровочных экспериментов с источниками нейтрино SAGE и GALLEX, красная - совместный анализ реакторных экспериментов с учетом интегрального эффекта, зеленая - данные нового расчета спектра антинейтрино

10°

Третье свидетельство приходит из экспериментов с реакторными нейтрино. При анализе спектров позитронов, полученных на разных расстояниях от реактора, появились области параметров, сходные с LSND и MiniBOONE.

Для анализа спектров позитронов разнородных экспериментов предложен метод анализа, не зависящий от функции отклика детектора [12, 13]. Для этого сравниваются отношения спектров, сделанные в одном эксперименте на двух расстояниях с рассчитанным отношением спектров на этих расстояниях. Результат анализа в виде контура разрешенных параметров показан на рис. 7 красным цветом.

Четвертый факт также связан со спектром реакторных антинейтрино. В коллаборации Double Chooz был получен новый спектр антинейтрино, используемый для анализа результатов измерения только дальним детектором в отсутствии ближнего. Это спектр оказался по нормировке на 3.5% больше самого точного спектра, использовавшегося ранее.

На рис. 7 показаны все области параметров осцилляций, следующие из вышеназванных экспериментов с аномалиями.

В настоящее время готовится ряд экспериментов по поиску стерильных нейтрино.

Глава V

Метрология в реакторной нейтринной физике

Пятая глава посвящена метрологии в реакторной нейтринной физике. Для проведения количественных измерений параметров реактора или другого анализа данных нейтринных потоков требуется точное знание стандартных величин, используемых в анализе. Наименее точными до последнего времени величинами являлись энергия на акт деления и спектр антинейтрино делящихся изотопов.

В работе приводятся результаты расчета энергии, выделяемой на акт деления для всех делящихся изотопов. Погрешность нового результата вдвое лучше погрешностей данных, используемых ранее [14]. Результат расчета показан в табл. 2.

Спектр антинейтрино ядерного реактора измеряется уже давно.

Таблица 2. Энергия, выделяемая на акт деления

Изотоп Еь МэВ

235и 201.92 ±0.46

239Ри 209.99 ±0.60

238и 205.52 ±0.96

241Pu 213.60 ±0.65

В экспериментах на Ровенской АЭС был получен стандартный за кампанию спектр реактора ВВЭР [15-19].

Однако, для анализа результатов, полученных на реакторах другого типа, требуется знание спектров отдельных делящихся изотопов, чтобы смешивая их в пропорции по числу делений получить модельные спектры данных реакторов. До настоящего времени в качестве эталонных спектров использовались спектры, полученные конверсионной методикой из измеренных бета-спектров от продуктов деления основных, делящихся тепловыми нейтронами в реакторе, изотопов 235U, 239Pu и 241Pu [К. Schreckenbach et al., Phys. Lett. B160, 325, 1985, Phys. Lett. B218, 365, 1989]. Для изотопа 238U, который делится быстрыми нейтронами, использовался расчетный спектр [Р Vogel et al., Phys. Rev. C24, 1543, 1981].

Предложен новый способ получения спектров отдельных изотопов [20, 21] из экспериментального измерения спектра антинейтрино ядерного реактора как смеси четырех спектров. Приводятся результаты нового анализа ровенского эксперимента по измерению спектра антинейтрино от ядерного реактора.

Метод [21] основывается на отношениях спектров отдельных изотопов, которые оказываются почти не зависящими от метода получения этих спектров (расчетным или конверсионным методами).

Впервые был получен экспериментальный спектр изотопа 238U. Спектр этого изотопа трудно измерять аналогично спектрам изотопов, которые делятся тепловыми нейтронами, из-за малого сечения деления. Но в реакторе малость сечения изотопа компенсируется его большим количеством (содержание 238U в топливе составляет 96-97%).

Рис. 8. Сравнение спектров Шрекенбаха и Фогеля (•) [К. Schreckenbach et al., Phys. Lett. B160, 325,1985, Phys. Lett. B218, 365, 1989, P. Vogel et al., Phys. Rev. С24,1543,1981 ] и Мёллера (■) [Th. A. Mueller et al. Phys. Rev. C83: 054615,2011] со спектрами, полученными в настоящей работе, а - 235U, б - 239Ри, в - 2j8U, г - 241Ри. Показано отношение ровенского спектра к сравниваемым спектрам

Полученные спектры антинейтрино приведены в табл. 3. Сравнение их с известными спектрами антинейтрино, имеющими наименьшую погрешность, показано на рис. 8. В экспериментальных спектрах наблюдается увеличение спектра в мягкой области из-за наличия в топливе накапливающихся долгоживущих осколков, в частности 90Sr [22-26].

Глава VI

Исследование природных нейтринных потоков

В шестой главе рассказывается об исследовании природных нейтринных потоков. Обсуждается проект большого сцинтилляционно-го детектора для установки в Баксанской нейтринной обсерватории ИЯИ РАН.

Обосновывается возможность создания большого сцинтилляци-онного детектора в Баксанской нейтринной обсерватории ИЯИ РАН

Таблица 3. Спектры антинейтрино делящихся изотопов

из спектра Ровно

Е, МэВ 235и 239Ри 23Хи 241Ри 5,%(68%С. Ь.)

1.75 2.957 2.537 3.444 2.991 6.8

2.00 1.990 1.691 2.381 2.050 6.4

2.25 1.339 1.127 1.646 1.405 5.0

2.50 9.762Е-01 8.097Е-01 1.231 1.035 3.2

2.75 7.542Е-01 6.151Е-01 9.748Е-01 8.030Е-01 2.1

3.00 6.007Е-01 4.807Е-01 7.955Е-01 6.390Е-01 1.7

3.25 5.097Е-01 3.937Е-01 6.812Е-01 5.350Е-01 1.4

3.50 4.134Е-01 3.089Е-01 5.602Е-01 4.274Е-01 1.3

3.75 3.320Е-01 2.395Е-01 4.557Е-01 3.386Е-01 1.2

4.00 2.660Е-01 1.849Е-01 3.699Е-01 2.676Е-01 1.2

4.25 2.121Е-01 1.417Е-01 2.999Е-01 2.099Е-01 1.2

4.50 1.678Е-01 1.066Е-01 2.426Е-01 1.625Е-01 1.4

4.75 1.308Е-01 7.916Е-02 1.920Е-01 1.240Е-01 1.5

5.00 1.037Е-01 5.986Е-02 1.533Е-01 9.623Е-02 1.7

5.25 8.303Е-02 4.665Е-02 1.238Е-01 7.562Е-02 1.8

5.50 6.648Е-02 3.686Е-02 1.001Е-01 5.933Е-02 2.2

5.75 5.235Е-02 2.838Е-02 7.956Е-02 4.538Е-02 2.8

6.00 3.926Е-02 2.013Е-02 6.044Е-02 3.302Е-02 3.8

6.25 2.961Е-02 1.486Е-02 4.677Е-02 2.440Е-02 4.7

6.50 2.140Е-02 1.058Е-02 3.448Е-02 1.735Е-02 5.9

6.75 1.473Е-02 7.157Е-03 2.413Е-02 1.175Е-02 7.3

7.00 1.019Е-02 4.853Е-03 1.709Е-02 7.970Е-03 8.2

7.25 7.467Е-03 3.517Е-03 1.300Е-02 5.731Е-03 9.4

7.50 4.473Е-03 2.016Е-03 8.053Е-03 3.398Е-03 14

7.75 2.596Е-03 1.121Е-03 4.905Е-03 2.014Е-03 20

8.00 1.350Е-03 6.328Е-04 2.792Е-03 1.136Е-03 26

8.25 6.706Е-04 3.624Е-04 1.482Е-03 6.216Е-04 32

8.50 3.462Е-04 2.014Е-04 7.572Е-04 3.367Е-04 40

8.75 1.837Е-04 1.011Е-04 3.994Е-04 1.771Е-04 80

9.00 6.951Е-05 3.282Е-05 1.635Е-04 6.503Е-05 140

9.25 2.930Е-05 1.267Е-05 7.213Е-05 2.599Е-05 230

на основе рассчитанных потоков нейтрино от природных источников [27-32]. Для детектора такого типа мы рассматриваем следующую программу исследований:

1. Изучение потока антинейтрино, излучаемого дочерними продуктами распада урана и тория (геонейтрино), содержащимися внутри Земли, и определение, таким образом, радиогенной составляющей теплового потока Земли;

2. Проверка гипотезы о протекании в центре Земли цепной реакции деления путем поиска антинейтринного потока "геореактора";

3. Изучение динамики взрыва сверхновых путем регистрации интенсивности и спектра нейтринной вспышки;

4. Поиски изотропного потока антинейтрино, накопившихся во Вселенной за миллиарды лет при гравитационных коллапсах ядер массивных звезд и образовании нейтронных звезд и "черных дыр";

5. Регистрация совокупного потока антинейтрино от всех имеющихся на Земле промышленных ядерных реакторов. Подтверждение параметров осцилляций электронных антинейтрино;

6. Исследование спектра солнечных нейтрино.

Детектор, расположенный в районе Кавказа выгодно отличается от других мест малым потоком антинейтрино от промышленных ядерных реакторов. Кроме того, наличие уже готовой инфраструктуры: электроснабжение, вентиляция, наличие людских ресурсов существенно удешевляют строительство.

В табл. 4 показаны скорости счета геонейтрино для различных мест расположения детектора массой 1 кт, отношение Л скорости счета фона реакторных антинейтрино Аггеас к скорости счета событий геонейтрино А^ в диапазоне энергий геонейтрино и глубина расположения детектора.

Можно ожидать, что детектор наБаксане при массе мишени 20 кт быстро превзойдет по точности современные детекторы ВОЫЕХПЧО и КатЬАЖ), которые уже оценили скорость счета геонейтрино с точностью 20-30%. В пределах этой точности измеренное значение совпадает с современной моделью расположения радиоактивных источников в Земле.

Таблица 4. Ожидаемые скорости счета в разных точках Земли в суммарном потоке от распадов II и ТЬ (с учетом осцилляций) в единицах ТМи

Местоположение Глубина м в.э. Скорость счета Nт>п, TNU N ft _ reac N 14 ge о

Fiorentini Enomoto [32]

Hawaii -4000 12.5 13.4 13.0 0.1

Kamioka 2700 34.8 36.5 33.4 6.7

Gran Sasso 3700 40.5 43.1 42.3 0.9

Sudbury 6000 49.6 50.4 52.8 1.1

Pyhäsalmy 4000 52.4 52.4 55.7 0.5

Баксан 4800 51.9 55.0 57.0 0.2

Таблица 5. Ожидаемое число нейтринных событий в сцинтилляционном детекторе с массой мишени 5 кт (4x1032 протонов, 16x1032 электронов, 2x1032 ядер 12С) от вспышки "тепловых" нейтрино при коллапсе ядра Сверхновой (расстояние до Сверхновой 10 килопарсек, уносимая при коллапсе энергия нейтрино составляет -3x1053 эрг, прямая иерархия масс)

Реакция Без осцилляций LMAMSW (sin2e13>10-3) LMA MSW (sin2Ü13<10~5)**

ve+p—*е++п 1157 1479 1479

ve + I2C-*12B+e+ 14.4 35.5 35.5

ve+12C->12N+e" 5.8 132 93.5

E 12C(v,,v/)12C + у * 236 236 236

Z(v„0->(v/,0 70.6 62.2 61.4

*

V V V V V V V

у/ е' е' ц' ц> т> х

**Сейчас уже известно, что значение зт2013 = 0.09, то есть верна третья

колонка.

В табл. 5 представлены рассчитанные нами в детекторе наБаксане с массой 5 кт скорости счета от нейтринного потока Сверхновой на

Наблюдаемая энерг ия, МэВ Рис. 9. Спектры позитронов реакции \е+р-^е++п в детекторе на Баксане (мишень— органический сциншллятор 5 кт, осцилляции учтены): 1 — от геонейтрино, 2— от окружающих детектор реакторов, За, ЗЬ — от гипотетического геореактора, 4 — от при вспышке Сверхновой, см. текст (правая шкала), 5— от реликтовых от Сверхновых, 6 — от атмосферных

расстоянии 10 кпс. Детектор с массой мишени в 20 кт сможет измерить довольно точно спектр антинейтрино и по нему определить иерархию масс.

На рис. 9 представлены все возможные спектры антинейтрино, которые будут регистрироваться детектором на Баксане. Видно, что используя амплитудный и временной анализы возможно разделить все эти спектры. Спектр от Сверхновой будет наблюдаться в течение короткого времени, а спектры реакторов и геонейтрино будут регистрироваться постоянно. Макушка спектра реликтовых нейтрино находится между спектром реакторных антинейтрино и спектром атмосферных нейтрино.

Заключение

В нем представлены выводы и сформулированы основные результаты, полученные в диссертации.

Основные результаты работы

1. Предложен метод использования двух идентичных детекторов для проведения экспериментов в потоке реакторных антинейтрино. Метод позволяет избавиться от систематической ошибки, связанной с реакторными спектрами и параметрами детектора.

2. Экспериментально измерен последний угол смешивания нейтрино из матрицы Маки-Накагавы-Сакаты-Понтекорво 0]3 при ос-цилляциях реакторных электронных антинейтрино в таонные минуя мюонное состояние. Измеренный в Коллаборации Double Chooz угол смешивания составил sirr20n = 0.109 ±0.030 (стат.) ±0.025 (сист.) при значении разницы квадратов масс атмосферных нейтрино АтЪ2 = 2.32 ± 10"3 эВ2.

3. Предложен метод анализа разнородных экспериментов на основе отношений спектров, не зависящий от функции отклика детектора.

4. На основе анализа реакторных экспериментов получено указание на возможное существование четвертого типа нейтрино (возможно стерильного). Массовый параметр осцилляций в это состояние = 0.9 эВ2 при амплитуде sin22014 = 0.04-0.05.

5. Предложен метод разделения экспериментального спектра антинейтрино, измеренного в ровенском эксперименте при стандартном составе топлива активной зоны ядерного реактора на составляющие его компоненты от четырех основных делящихся изотопов (235U;238U;239pU)241pu)

6. Впервые экспериментально получен спектр 238U, который ранее учитывался только расчетным путем.

7. Получено научное обоснование, показывающие возможность создания большого сцинтилляционного детектора для регистрации природных нейтринных потоков. Были проведены расчеты эффекта в детекторе от различных природных потоков и показано, что необходимая статистика от геонейтрино может быть набрана детектором с мишенью 5-10 кт за 10 лет измерений. При этом вспышка сверхновой в центре нашей Галактики будет уверенно зарегистрирована со статистикой в несколько тысяч событий.

Основные результаты диссертации опубликованы в работах:

1. L.A.Mikaelyan, V.V. Sinev. Neutrino Oscillations at Reactors: What Is Next?, Ядерная физика, т. 63, № 6, с. 1077,2000.

2. Yu.V. Kozlov, L.A. Mikaelyan, V.V. Sinev. Two-detector Reactor Neutrino oscillation experiment Kr2Det at Krasnoyarsk: status report, Ядерная физика, т. 66, № 3, с. 497,2003.

3. V.R Martemianov, L.A. Mikaelyan, V.I. Kopeikin, Yu.V. Kozlov, V.V. Sinev. The Kr2Det Project: Search for Mass-3 State Contribution |Ue3|2 to the Electron Neutrino Using a One-Reactor-Two-Detector Oscillation Experiment at the Krasnoyarsk Underground Site, Ядерная физика, т. 66, № 10, с. 1982,2003.

4. В.И.Копейкин, И.Н. Мачулин, JI.A. Микаэлян, М.Д. Скорохватов, В.В. Синев, С.В. Сухотин, А.В.Этенко. Проект Шооз-2 поиск угла смешивания нейтрино, Ядерная физика, т. 72, № 2, с. 307, 2009.

5. Y. Abe, С. Aberle, Т. Akiri, ...V. Sinev, et al. (DC Collaboration), Indication of reactor electron antineutrinos disappearance in the Double Chooz experiment, Phys. Rev. Lett. 108, 131801, 2012; arXiv: 1112.6353 [hep-ex], 2011.

6. Y. Abe, C. Aberle, J.C. dos Anjos, ...V. Sinev et al. (Double Chooz Collaboration), Reactor electron antineutrino disappearance in the Double Chooz experiment, Phys. Rev. D 86, 052008, 2012; arXiv: 1207.6632 [hep-ex].

7. Y. Abe, C. Aberle, J.C. dos Anjos, ...V. Sinev et al. (Double Chooz Collaboration), Direct Measurement of Backgrounds Using Reactor-Off Data In Double Chooz, Phys. Rev. D 87, 011102, 2013; arXiv: 1210.3748 [hep-ex],

8. Y. Abe, C. Aberle, J.C. dos Anjos, ...V. Sinev et al. (Double Chooz Collaboration), First Test of Lorentz Violation with a Reactor-based Antineutrino Experiment, Phys. Rev. D 86, 112009, 2012; arXiv: 1209.5810 [hep-ex],

9. Y. Abe, C. Aberle, J.C. dos Anjos, ...V. Sinev et al. (Double Chooz Collaboration), First Measurement of 613 From Delayed Neutron Capture on Hydrogen in the Double Chooz Experiment, Phys. Rev. Lett., 2013; arXiv: 1301.2948 [hep-ex],

10. V.V. Sinev. Is it possible to test the LSND parameters at reactors?, Письма в ЭЧАЯ, № 5 [108], с.37, 2001.

11. JI.A Микаэлян, В.В. Синев. О поиске стерильных нейтрино в экспери-

менте на ядерном реакторе, Ядерная физика, т. 62, № 12, с, 2177, 1999.

12. В.В. Синев. Совместный анализ спектральных реакторных нейтринных экспериментов, Препринт ИЛИ РАН 1278/2011; ArXive: 1103.2452 [hep-ex],

13. B.B. Синев. Поиски стерильных нейтрино, Препринт ИЯИ РАН 1342/2013.

14. В.И. Копейкин, JI.A. Микаэлян, В.В. Синев. Реактор как источник антинейтрино: Тепловая энергия деления, Ядерная физика, т. 67, № 10, с. 1916, 2004.

15. Ю.В. Климов, В.И. Копейкин, A.A. Лабзов, И.Н. Мачулин, JI.A. Микаэлян, C.B. Николаев, К.В. Озеров, В.В. Синев, М.Д. Скорохватов, A.B. Этенко Измерение вариаций сечения реакции ve + р —» е+ + п в потоке ve от реактора, Ядерная физика, т. 51, вып. 2, с. 401-406, 1990.

16. Ю.В. Климов, В.И. Копейкин, A.A. Лабзов, Л.А. Микаэлян, К.В. Озеров, В.В. Синев, C.B. Толоконников. Измерение спектра электронных антинейтрино ядерного реактора, Ядерная физика, т. 52, вып. 6, с. 1574-1582,1990.

17. Климов Ю.В., Копейкин В.И., Микаэлян Л.А., Озеров К.В, Синев В.В. Дистанционное измерение мощности и энерговыработки реактора нейтринным методом, Атомная энергия, т. 76, вып. 2, с. 130-134, 1994.

18. А.Б. Доброцветов, Ю.В. Климов, В.И. Копейкин, Л.А. Микаэлян, К.В. Озеров, В.В. Синев, C.B. Толоконников. Измерение спектра антинейтрино ядерного реактора, Препринт ИАЭ-5796/2, 1994.

19. В.И. Копейкин, Л.А. Микаэлян, В.В. Синев. Спектр антинейтрино ядерного реактора, Ядерная физика, т. 60 № 2, с. 230-234, 1997.

20. В.В. Синев. Определение спектров антинейтрино отдельных делящихся изотопов в прямом эксперименте на ядерном реакторе, Ядерная физика, т. 72, № 11, с. 1906, 2009.

21. В.В. Синев. Экспериментальный спектр антинейтрино от ядерного реактора и спектры основных делящихся изотопов, Препринт ИЯИ РАН 1318/2012; Ядерная физика, т. 76, № 5, с. 578-584, 2013.

22. V.l. Kopeykin, L.A.Mikaelyan, V.V. Sinev. Antineutrino Background from Spent-Fuel Storage in Sensitive Searches for 813 at Reactors, Ядерная физика, т. 69, № 2, с. 185, 2006.

23. В.И. Копейкин, Л.А. Микаэлян, В.В. Синев. Поиски магнитного момента нейтрино в нестационарных потоках антинейтрино ядерного реактора, Ядерная физика, т. 61, с. 2222, 1998.

24. V.I. Kopeykin, L. A.Mikaelyan, V. V. Sinev. Search for the Neutrino Magnetic Moment in the Nonequilibrium reactor antineutrino energy spectrum, Ядерная физика, т. 63, № 6, с. 1087, 2000.

25. V.I. Kopeykin, V.V. Sinev. Energy spectrum of reactor antineutrinos and searches for new physics (recent developments), Письма в ЭЧАЯ, № 5 [108], c.41,2001.

26. V.I. Kopeykin, L.A.Mikaelyan, V.V. Sinev. Components of antineutrino emission in nuclear reactor, Ядерная физика, т. 67, № 11, с. 1987, 2004.

27. G. V. Domogatsky, V. I. Kopeikin, L. A. Mikaelyan,, V.V. Sinev. Neutrino Geophysics at Baksan I: Possible Detection of Georeactor Antineutrinos, Ядерная физика, т. 68, № 1, с. 70, 2005.

28. G. V. Domogatsky, V. I. Kopeikin, L. A. Mikaelyan,, V.V. Sinev. Neutrino Geophysics at Baksan: On Searches for Antineutrinos and Radiogenic-Heat Sources in the Interior of the Earth, Ядерная физика, т. 69, № 1, с. 46,2006.

29. G. V. Domogatsky, V. I. Kopeikin, L. A. Mikaelyan, V.V. Sinev. Can Radiogenic Heat Sources in the Earth be located by their Antineutrino incoming directions?, Ядерная физика, т. 69, № 11, с. 1894, 2006.

30. Г.В. Домогацкий, В.И. Копейкин, Л.А. Микаэлян, В.В. Синев. О возможности изучения на Баксане нейтрино от сверхновой, Ядерная физика, т. 70, №6, с. 1116,2007.

31. И.Р. Барабанов, Г.Я. Новикова, В.В. Синев, Е.А. Янович. Исследование природных потоков нейтрино при помощи сцинтилляционного детектора большого объема на Баксане, Препринт ИЯИ РАН 1228/2009.

32. В.В. Синев. Геонейтрино и внутреннее строение Земли, Препринт ИЯИ РАН 1257/2010.

Ф-т 60x84/16 Уч.-изд.л. 1,6 Зак. № 22313 Тираж 100 экз. Бесплатно Отпечатано на компьютерной издательской системе Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт ядерных исследований Издательский отдел Российской академии наук 117312, Москва, проспект 60-летия Октября, 7а

Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт ядерных исследований российской Академии наук (ИЯИ РАН)

СИНЕВ Валерий Витальевич

ИССЛЕДОВАНИЕ ОСЦИЛЛЯЦИЙ НЕЙТРИНО В РЕАКТОРНЫХ

ЭКСПЕРИМЕНТАХ

01.04.16 — физика атомного ядра и элементарных частиц

Диссертация на соискание ученой степени доктора физико-математических наук

05201451189

На правах рукописи

Москва-2013

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ.....................................................4

ГЛАВА I. ПОИСКИ И ОТКРЫТИЕ НЕЙТРИННЫХ ОСЦИЛЛЯЦИЙ.....14

§1. Загадка солнечных нейтрино и гипотеза осцилляций нейтрино ... 14

1.1. Хлор-аргоновый эксперимент............................14

1.2. Галлий-германиевый эксперимент .......................16

1.3. Гипотеза нейтринных осцилляций .......................18

§2. Поиски и обнаружение нейтринных осцилляций

на ядерных реакторах.....................................19

2.1. Эксперименты на близких расстояниях от реактора..........19

2.2. Эксперимент на далеком расстоянии от реактора............20

§3. Аномалия атмосферных нейтрино. Осцилляции атмосферных

нейтрино................................................24

3.1. Эксперимент Kamiokande................................24

3.2. Эксперимент SuperKamiokande...........................26

3.3. Ускорительные эксперименты............................29

ГЛАВА II. ФЕНОМЕНОЛОГИЯ ОСЦИЛЛЯЦИЙ НЕЙТРИНО..........33

§1. Осцилляции в случае трёх типов..........................33

§2. Осцилляции в веществе .................................35

§3. Подтверждение феноменологической теории осцилляций

в потоке солнечных нейтрино.............................36

ГЛАВА III. ЭКСПЕРИМЕНТЫ ПО ПОИСКУ УГЛА СМЕШИВАНИЯ вхъ НА ЯДЕРНЫХ РЕАКТОРАХ. ОТКРЫТИЕ УГЛА СМЕШИВАНИЯ в\Ъ...................................40

§ 1. Красноярск ...........................................40

§2. Double Chooz..........................................45

2.1. Место расположения эксперимента.......................45

2.2. Детектор..............................................46

2.3. Фоны детектора........................................48

2.4. Результат измерений...................................50

§3. Daya Bay ...........................................54

§4. RENO ................................................59

ГЛАВА IV. ПОИСКИ СТЕРИЛЬНЫХ НЕЙТРИНО....................64

§ 1. Эксперименты на ускорителях на близких расстояниях..........64

§2. Необычный результат калибровки детекторов солнечных

нейтрино ............................................... 67

§3. Совместный анализ реакторных экспериментов................68

§4. Новый расчет спектров антинейтрино делящихся изотопов......79

§5. Проекты экспериментов по поиску стерильных нейтрино........81

ГЛАВА V. МЕТРОЛОГИЯ В РЕАКТОРНОЙ НЕЙТРИННОЙ ФИЗИКЕ . . 88

§1. Энергия на акт деления..................................88

§2. Спектр антинейтрино ядерного реактора.....................105

ГЛАВА VI. ИССЛЕДОВАНИЕ ПРИРОДНЫХ НЕЙТРИННЫХ

ПОТОКОВ..........................................118

§1. Геонейтрино, геореактор и реакторные антинейтрино..........121

§2. Нейтрино от сверхновых................................. 127

§3. Диффузный фон реликтовых нейтрино......................132

§4. Солнечные нейтрино.....................................134

§5. Конструкция детектора на Баксане.........................137

ЗАКЛЮЧЕНИЕ ...............................................141

ЛИТЕРАТУРА ...............................................146

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность исследования и степень разработанности проблемы нейтринных осцилляций

Нейтрино - одна из самых загадочных и трудноуловимых частиц. Ее

(

существование было предсказано В. Паули в 1920 году [1] для объяснения немонохроматического спектра бета-частиц. Впервые она была зарегистрирована в 1953 году, через 30 лет после теоретического предсказания группой Ф. Райнеса [2].

Позднее было открыто, что есть два разных типа нейтрино: одно рождается в ß", другое в ß+ распаде. В опыте Р. Дэвиса в 1955 г. на ядерном реакторе было показано, что это разные частицы [3]. Соответственно, они были названы нейтрино и антинейтрино. Во время бурного развития физики частиц (вторая половина XX века) были открыты еще два типа, или как сейчас принято говорить, флейвора нейтрино: мюонное и таонное со своими анти партнерами. Всего сейчас известно три активных типа нейтрино: электронное, мюонное и таонное. Как было показано в экспериментах по измерению ширины распада Z0 бозона, только три типа активных нейтрино и должны существовать (2.984 ± 0.008 [4]). Косвенно это подтверждается опытами по поиску нейтринных осцилляций. Было обнаружено существование двух разностей масс квадратов, отличающихся почти на два порядка по величине, что достаточно для существования трех типов нейтрино.

Для изучения нейтрино ядерные реакторы стали использоваться с самого начала экспериментов по поиску этой частицы. Они являются самыми мощными на Земле источниками электронных антинейтрино. Современный ядерный реактор с тепловой мощностью 3 ГВт излучает примерно 6x1020 антинейтрино в секунду. Они удобны для исследования нейтрино, так как

поток нейтрино компенсирует малость его сечения взаимодействия с веществом (самое большое по величине сечение взаимодействия у антинейтрино с протоном, оно составляет около 6x10"43 см2). При помощи ядерных реакторов было сделано три важных открытия в физике нейтрино: во-первых, само нейтрино было экспериментально обнаружено именно в потоке ядерного реактора, во-вторых, было подтверждено существование нейтринных осцилляций солнечных нейтрино и, в-третьих, совсем недавно были открыты осцилляции электронных нейтрино в таонные.

Мы рассмотрим, как проводились эксперименты на ядерных реакторах в конце XX и начале XXI веков, когда были совершены эти открытия, затем рассмотрим перспективы использования ядерных реакторов для исследования свойств электронных антинейтрино в будущем.

Бурная постановка экспериментов на ядерных реакторах началась в 80-х годах, когда было обнаружена нехватка солнечных нейтрино [5]. Одним из объяснений этого феномена были нейтринные осцилляции. Сразу несколько групп начали эксперименты по поиску нейтринных осцилляций. Одна группа, открывшая антинейтрино, продолжала работы в Savannah River (США) [6], три других работали в Европе: две во Франции (атомная станция Бюже [7] и Институт Лауэ-Ланжевена в Гренобле [8]) и одна в Германии в Гесгене [9]. В Советском Союзе работали две группы: одна на Ровенской АЭС [10], другая на реакторе в Красноярске [11]. Всю эту группу экспериментов называют экспериментами на близких расстояниях, так как расстояния до ядерного реактора в этих измерениях не превышали 100 м.

В этих экспериментах осцилляций найдено не было, хотя от группы Бюже поступало сообщение об их наблюдении, но позднее они пересмотрели свои результаты и обнаружили ошибку в анализе. Результаты экспериментов обычно представляются в виде графиков ограничений на параметры осцилляций.

По мере накопления опыта таких экспериментов совершенствовалась методика и техника эксперимента. В конце 90-х годов были выполнены два эксперимента на расстояниях 1 км и 750 м от ядерного реактора. Первый был сделан во Франции на станции Шо (Chooz) [12], а второй - в США, недалеко от станции Пало Верде (Palo Verde) [13]. Они также не нашли осцилляций на этих расстояниях, но установили самое сильное ограничение на параметры осцилляций электронных антинейтрино. После этого реакторные эксперименты на время были прекращены.

Далее в истории изучения нейтрино произошли важные события. В начале XXI века подтвердилась нехватка нейтрино от Солнца, которая была обнаружена уже в первых экспериментах с солнечными нейтрино на мишени

37 71

С1 [5], в новых экспериментах с галлием ( Ga) [14], что усилило подозрения на существование осцилляций нейтрино. Позднее были обнаружены аномалии в потоках нейтрино высоких энергий в атмосфере и объяснены эти аномалии осцилляциями мюонных нейтрино в таонные [15]. Затем в эксперименте SNO [16] было экспериментально показано разделение потока электронных солнечных нейтрино на две неравных составляющих. Электронные нейтрино составляли одну треть общего потока.

На основании полученных из анализа экспериментов параметров осцилляций был предложен эксперимент на ядерном реакторе для проверки осцилляций электронных нейтрино. Он был успешно осуществлен в 2005 г. в Японии детектором KamLAND [17]. На этом детекторе был измерен энергетический спектр антинейтрино от ядерных реакторов, расположенных на эффективном расстоянии 160-180 км от детектора. Спектр оказался искаженным в точности с предсказанными параметрами, полученными из экспериментов с солнечными нейтрино.

Таким образом, исследования нейтрино различных энергий и типов привели к открытию феномена осцилляций. Было экспериментально показано, что нейтрино разных типов могут превращаться друг в друга. Была

сформулирована феноменологическая теория нейтринных осцилляций, в которой имеется матрица смешивания нейтрино, описывающая вероятность перехода одного типа нейтрино в другой. Были доказаны превращения электронных нейтрино в мюонные (солнечные) и мюонных в таонные (атмосферные). Однако не удавалось обнаружить канал превращения таонных нейтрино в электронные.

Из измерений следовало, что массовый параметр осцилляций (разность квадратов масс массовых состояний) в атмосферных и солнечных экспериментах отличаются в 50 раз. Значит, должна быть возможность наблюдать прямой переход электронных нейтрино в таонные с массовым параметром, близким к параметру атмосферных осцилляций, но пока неизвестной амплитудой. Предложение эксперимента по поиску таких осцилляций на ядерном реакторе впервые было сделано в работе [18]. Предполагалось, что этот параметр может быть очень малым и следовало значительно увеличить чувствительность эксперимента. Было предложено использовать два идентичных детектора, размещенных на таких расстояниях, чтобы максимально проявился эффект осцилляций. При этом систематическая ошибка суммарного измерения сильно подавляется за счет идентичности детекторов, а статистическая может быть сделана сколь угодно малой за счет времени измерения.

Основываясь на этой идее, было предложено множество проектов по измерению угла é?i3, точнее параметра sin 2#i3, который является амплитудой перехода электронных нейтрино в таонные согласно феноменологической теории осцилляций. Была подготовлена «Белая статья» (White paper) [19], в которой обосновывалась возможность измерения этого угла. В настоящее время реализованы три проекта, которые используют принцип двух идентичных детекторов для измерения угла в\3: Double Chooz во Франции [20], Day a Bay в Китае [21] и RENO в Южной Корее [22]. В 2011 году первые измерения Double Chooz неожиданно выявили достаточно большое значение

этого угла (около 10°). В 2012 году это значение было подтверждено с большей точностью двумя другими экспериментами.

В настоящее время матрица смешивания нейтрино является полностью заполненной по всем членам за исключением комплексной фазы 5 нарушения СР симметрии. Эта фаза может быть получена при помощи экспериментов с высокоэнергетическими нейтрино на ускорителях. При этом современные реакторные эксперименты по измерению 0\Ъ позволяют резко ограничить набор возможных значений фазы 8, определяя коридор значений угла #13.

В мировой нейтринной физике уже на протяжении многих лет особняком стоит проблема поиска стерильных нейтрино. Предполагается, что наряду с активными нейтринными состояниями - электронным, мюонным и таонным - возможно существование и их стерильных состояний, которые никак не взаимодействуют с веществом. О существовании стерильных нейтрино может свидетельствовать обнаружение третьего массового параметра Аш , не равного уже найденным [23]. Неявные указания на наличие такого параметра следуют из ряда экспериментов. Сначала это были данные эксперимента ЬБКБ [24], затем они были частично подтверждены экспериментом МннВОСЖЕ [25]. В 2000-х гг. проводилась калибровка двух экспериментов по измерению потока солнечных нейтрино с галлием в качестве мишени с использованием нейтринных источников [26]. Данные экспериментов продемонстрировали нехватку нейтрино от источника при их регистрации в установках. При этом при объяснении этого недобора событий возникает область осцилляционных параметров, сходная с экспериментами на ускорителях. Косвенные указания следуют также и из реакторных экспериментов на коротких расстояниях. При измерении спектра антинейтрино на различных расстояниях возникают осцилляционные параметры при описании данных различных экспериментов. В каждом отдельном эксперименте вероятность этих осцилляций оказывается меньше, чем вероятность их отсутствия, но настораживает близость найденных

параметров. В работе [27] был найден метод, позволяющий проводить совместный анализ разных реакторных экспериментов, несмотря на различие их спектральных характеристик. Этот анализ показал возможные области параметров осцилляций такого типа. Наконец, недавно был представлен новый расчет компонентов реакторного антинейтринного спектра - спектров

235 238 239 241

отдельных делящихся изотопов ( ' и, Ри) [28], основанный на новых экспериментальных данных о бета-спектрах осколков деления и новой методике расчета. Этот спектр отличается по нормировке от других предсказываемых спектров. После пересчета данных ранних нейтринных реакторных экспериментов с использованием этого спектра оказалось, что существует недобор данных почти во всех экспериментах, что может указывать на исчезновение нейтрино из потока за счет осцилляций.

В настоящее время существует ряд проектов, нацеленных на создание нейтринного детектора для практического применения в области гарантий нераспространения ядерных материалов. Такие детекторы могли бы измерять на расстоянии некоторые параметры ядерного реактора, такие, например, как мощность и энерговыработка. Одновременно такой детектор теоретически может определять состав ядерного топлива реактора [29] по форме антинейтринного спектра в текущий момент кампании реактора. Определение состава активной зоны может помочь в определении наработанного плутония 239, который может быть использован в изготовлении ядерных боеприпасов. Такой детектор должен располагаться в непосредственной близости от активной зоны реактора (10-20 м), чтобы обладать достаточной статистической точностью. На этих расстояниях как раз и должны в наибольшей степени проявляться осцилляции, указания на которые следуют из вышеприведенных экспериментов.

Открытие осцилляций в стерильное состояние может привести к пересмотру феноменологической теории и расширению ее до четырех и более типов.

В настоящее время становится актуальной задача исследования природных нейтринных потоков, происходящих от множества явлений с рождением нейтрино [30]. Там также проявляются осцилляции. В большинстве своем эти потоки имеют достаточно малую интенсивность, поэтому для их регистрации сегодня предлагаются детекторы нового поколения, имеющие чрезвычайно низкий уровень фонов и очень большой объем мишени. Эти детекторы также могут служить мишенью для направленных пучков нейтрино от ускорителей. Это позволяет исследовать как сами осцилляции нейтрино, так и определять иерархию нейтринных масс. Ускорительные пучки предположительно должны определить 8-фазу СР нарушения, о чем говорилось выше.

Один из проектов создания большого сцинтилляционного детектора предложен в нашей стране. В Институте ядерных исследований РАН с 70-х годов прошлого века существует подразделение на Кавказе недалеко от Эльбруса. Там создана нейтринная обсерватория, включающая в себя комплекс детекторов для измерения потока солнечных нейтрино и регистрации вспышек сверхновых. В настоящее время на базе обсерватории может быть создан новый детектор, позволяющий регистрировать слабые природные нейтринные потоки. При этом такой детектор будет регистрировать и антинейтринное излучение от ядерных реакторов, созданных человеком и расположенных в разных уголках нашей планеты. Антинейтринное излучение, проходя различные расстояния от всех ядерных реакторов, создают своеобразный спектр в месте расположения детектора. Форма этого спектра определяется конфигурацией ядерных реакторов относительно места расположения детектора за счет нейтринных осцилляций. Таким образом, здесь могут исследоваться осцилляции нейтрино и иерархия масс нейтринных состояний.

Цели работы.

1. Обнаружение ранее не наблюдавшегося угла смешивания нейтрино

в\ъ в эксперименте с антинейтрино от ядерного реактора. Учитывая, что

2 2 массовый параметр Ara и, примерно равен Ат 23, то максимальный эффект

осцилляций должен проявляться на расстояниях 1-2 км от ядерного реактора,

учитывая энергетический спектр реакторных нейтрино. Измерение

последнего элемента матрицы смешивания стало возможным после

предложенного автором нового метода проведения эксперимента с

использованием двух идентичных детекторов, расположенных на разных

расстояниях от ядерного реактора. Был представлен проект эксперимента,

который должен был десятикратно увеличить чувствительность к амплитуде

осцилляций. Предполагалось, что искомый параметр осцилляций может быть

менее 0.03, что предъявляет соответствующие требовани�