Прецизионное измерение сечения реакции обратного бета-распада нейтрона тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.16 ВАК РФ

Российский научный центр «Курчатовский институт»

РГ8 ОД

~ 5 ДПР 1993 На "Р3"3* рукописи

УДК 539.12

ЭТЕНКО Александр Владимирович

ПРЕЦИЗИОННОЕ ИЗМЕРЕНИЕ СЕЧЕНИЯ РЕАКЦИИ ОБРАТНОГО БЕТА-РАСПАДА НЕЙТРОНА

01.04.16 — физика ядра и элементарных частиц

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Москва—1993

Работа выполнена в Российском научном центре "Курчатовский институт"

Научный руководитель:

кандидат физико-математических наук М.Д.Скорохватов Официальные оппонента:

доктор физико-математических наук В.И.Морозов

кандидат фззико-математических наук О.Я.Зельдович

Ведущая организация - Ленинградский институт ядерной физики, г. Гатчина

Защита состоится "-¿г? " . — 1993 г. в часов

на заседании специализированного совета Д 034.04.02 в Российском научном центре "Курчатовский институт" по адресу: 123182, Москва, пл. И.В.Курчатова, тел. 196-92-51.

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

Авторефера разослан " 2" 1993 г.

Ученый секретарь специализированного совета

И.Д. Скорохватов

I. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ.

Настоящая работа посвящена изучению свойств и взаимодействий электронного антинейтрино низких энергий (Е <10 Мэв). Основные результаты работы получены в потоке антинейтрино реактора ВВЭР-440 в нейтринной лаборатории на Ровонской АЭС. Содержание работы заключается в развитии методики регистрации событий реакции обратного бета-распада нейтрона

+ р -> п + е+, (1)

прецизионном измерении сечения этой реакции и анализу полученных результатов.

Являясь самостоятельным исследованием, данная работа в то же время входит составной частью в программу нейтринных экспериментов на реакторах, развернутую в настоящее время на Ровенской АЭС.

Актуальность проблемы.

Реакция обратного бета-распада нейтрона (1) является одним из наиболее фундаментальных процессов ядерной физики и поэтому определение ев сечения с возможно более высокой точностью представляет очевидный интерес. Процесс протекает при близком к нулю переданном импульсе и поэтому его интерпретация не осложняется трудноучитываемыми эффектами сильных взаимодействий. Это обстоятельство и возрастающая точность нейтринных экспериментов на реакторах позволяют определять фундаментальные константы слабого взаимодействия, которые до последнего времени извлекались из результатов изучения прямой к (1) реакции - бета-распаду свободного нейтрона.

Несмотря на успехи стандартной модели электрослабого взаимодействия поиски эффектов, выходящих за еб рамки и, возможно тем самым, открывающих новую физику элементарных частиц, интенсивно продолжаются. Экспериментальные результаты измерения сечения реакции обратного бета-распада нейтрона могут быть использованы для проверки стандартной модели.

В центре внимания нейтринных экспериментов остаются поиски нейтринных осцилляций, которые в значительной мере стимулировали возобновление исследований реакции (1) на ядерных реакторах в 80-90 гг. К началу представляемой работы помимо так называемого "дефицита" солнечных нейтрино в известном эксперименте Р.Дэвиса имелся результат французской

группы исследователей, работавшей на реакторе в Буке, который свидетельствовал об обнаружении осцилляция при измерениях не расстояниях 13 и 18 м от реактора . Результаты других исследователей были совместимы с отсутствием осцилляция /1/.

Начиная с 1985 г. в литературе интенсивно обсуждались результаты экспериментов по изучению формы р-спектров. В ряде работ .сообщалось о наблюдении искажений формы р-спектров, вызванных, по мнению авторов, наличием небольшой (1+3%) примеси тяжелого нейтрино с массой 17 кав. Другие исследовательские группы таких искажений не наблюдали. В работе /2/ .показано, что нейтринные эксперименты на реакторах могут быть использованы для получения ограничений на величину параметра смешивания для тяжблого нейтрино.

В последние годы, благодаря обсуждению в литературе моделей с правыми токами усилился интерес к уточнению данных о поляризации нейтрино. Эти данные позволяют получить ограничения на параметры правых токов /3/.

Сечение реакции (1) кроме того служит естественной нормировкой для других нейтринных экспериментов, осуществляемых на реакторах вообще и на Ровенской АЭС в частности: взаимодействие антинейтрино с дейтроном /4/ и измерение энергетического спектра антинейтрино от реактора сцинтилляционным спектрометром РОНС /б/.

Точное значение сечения реакции (1) и развитие методики регистрации антинейтрино необходимо для создания методов дистанционного контроля за работой ядерного реактора по его нейтринному излучению.

Цель работы.

1. Прецизионное измерение сечения реакции обратного бета-распада нейтрона.

2. Определение аксиальной константы СА бета-распада.

3. Получение информации о возможных эффектах, выходящих за рамки стандартной теории электрослабого взаимодействия.

4. Разработка методики эксперимента и создание нового детектора, позволяющих решить поставленные выше задачи.

[аучная новизна работы.

1. Разработана методика прецизионного измерения сечения реакции обратного бета-распада нейтрона.

2. Создан новый детектор для высокоточного измерения сечения реакции (1).

3. Измерено сечение реакции обратного бета-распада нейтрона в потоке антинейтрино от реактора ВВЭР-440 с наилучшей в мире точностью на настоящее время (начало 1993 г.).

4. Определена аксиальная константа слабого взаимодействия.

5. Получены ограничения на параметры нейтринных осилля-ций двумя независимыми способами: путбм сравнения экспериментально измеренного сечения реакции (1) с расчбтным и, впервые, новой методикой - путВм одновременного измерения скорости счбта событий реакции (1) двумя идентичными детекторами, расположенными на различных расстояниях от реактора.

6. Получено ограничение на величину параметра смешивания для нейтрино массой 17 кэв.

7. Получено новое ограничение на абсолютную величину поляризации электронного антинейтрино.

Научная и практическая ценность работы.

Результаты проделанной работы представляют интерес с точки зрения физики слабых взаимодействий и, в частности, изучения свойств нейтрино ( высоточное измерение сечения взаимодействия с протоном, определение констант слабого вза- • имодействия, поиск нейтринных осцилляция, определение поляризации нейтрино).

Практическая ценность работы заключается в развитии и совершенствовании методики исследования нейтрино, что позволяет решать ряд задач как фундаментального так и прикладного характера в нейтринной физике на реакторах.

Результаты работы использовались для абсолютной нормировки при восстановлении энергетического спектра о>е, измеря-пцегося в том же потоке г>е с помощью сцинтилляционного спектрометра РОНС/5/ и для мониторирования потока т>е в экспериментах по изучению взаимодействия электронного внтиней-

тршю с дейтроном /4/.

Апробация работы.

Основные результаты работы докладывались на ежегодных конференциях 0тделе1шя общей и ядерной физики Института атомной энергии им. И.В.Курчатова в 1908, 1989 и 1990 гг., на 13 и 14 Международных конференциях по нейтринной физике и астрофизике в 1988 г. (г.Бостон. США) и в 1990 г. (г.Женева, Швейцария), на 40-ом Международном совещании по ядерной спектроскопии и структуре ядра в 1990 г. (г.Ленинград), на Международной школе по физике слабых взаимодействий при низких энергиях в 1990 г. (LEWI-90,г.Дубна).

Публикации .

Основные результаты диссертации опубликованы в 14 печатных работах.

Структура диссертации.

Диссертация состоит из введения, трОх глав и заключения. Она содержит 92 страницы текста, 38 рисунков, 1С таблиц и список цитированной литературы из 138 наименований.

II. КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ.

Во введении кратко изложены общая характеристика работы и 00 содержание, обоснована актуальность и научная новизна работы.

В первой главе проводится анализ современной теоретической и экспериментальной ситуации в изучении реакции обратного бета-распада нейтрона в потоке антинейтрино от ядерного реактора. Показано, что в настоящее время в рамках стандартной модели существует точное теоретическое описание реакции. В качестве энергетических спектров онтинмйтрино от реактора в настоящее время общепринято использование спектров, полученных конвирсией из изморенных спектров электронов бота-распада осколков долиния. Использовании таких спектров, полученных в Институте Лауэ-Ланжевена (Франция), приводи' к неопределённости в величин« расчитываемого сечения реакции (1) около 2%. Возрастающая точность нейтринных экспериментов

на реикторах позволяет использовать их результаты для про верки стадартной модели, определения констант слабого ьзпи модействия и поиска эффектов, выходящих за рамки стандартной модели: нейтринные осцилляции, примесь тяжб лого нейтрино, правив токи.

Кратко обсуждаются 'основы практического использования антинейтринного излучения ядерных реакторов {контроль энерго выработки и состава активной зоны).

Проводится краткий анализ реакторных экспериментов по изучению реакции обратного бета-распада нойтрона, выполнении* в 1980-1990 гг.

Во второй главе описаны методика прецизионного измере ния сечения реакции обратного бета-распада нейтрона, конструкция и характеристики созданного для этой цели нового детектора. Методика основана на регистрации событий реакции (I) только по образующимся нейтроном с помощью пропорциональных ечвтчиков, наполненных -'не с добавкой Аг. Мишенью для антинейтрино и замедлителем образующихся нейтронов слу кит дистиллированная воде. В обгбмо мишени, вертикально рас -положены 252 пропорциональных счйтчика СИМ-60 в виде квадратной митрицы 1в»16 с шагом 7 см (чувствительная длина счЗтчика 92 си, диаметр катода 3.2 см).

Намерение сочения {«акции обратного бета-распада нейтрона имеет абсолютный характер. В силу этого обстоятельства особое значение приобретает определение характеристик детектора (эффективности и числа протонов) с высокой точностью. РасчЗт эффективности регистрации методом Монте-Карло даЗт трудно оцениваемую погрешность результатов из-за сложности учбта реальной геометрии эксперимента и, в особенности, утечки нейтронов на границах детектора.

В настоящей работе била разработана и применена методика прецнзиошюго определения характеристик детоктора экспериментальным путбм.

Сущностью методики является создыше для центральной части детектора условий бесконечной сроды. При этом на границах центральной части детоктора (эффоктиьного обгбма) ьы-лолняига» баланс утечки нейтронов реакции (1) и их притока из окружннцих материалов. В этом случае эффективность регистрации нейтронов реакции (I) постоянна в пределах эффекгив-

ного обьбма, а число протонов фиксируется границами »Активного объбма.

Эффективность регистрации нейтронов детектором измерялась с помощь« источника нейтронов спонтанного деления г->гС1, помещавшегося в центр детекторп. Переход к эффективности регис трации нейтронов реакции (1) осуществлялся с помощью ряда малых (<1Ж) поправок, определявшихся, в основном, экспериментальным путбм.

Эффективный обьбм детектора фиксировался конструкцией детектора. Выполнение условий компенсации утечки и притока нейтронов реакции (1) на его границах проверялось с помощью источников низкоэнергетичоских нейтронов Ри LI и Sb-Be. Проверка показала, что реальный эффективный объбм отличается от фиксированного конструкцией на величину не более (0.5i0.2)%.

Определенная в результате описанной процедуры эффективность регистрации нейтронов реакции (1) составила:

ерр= 0.54S t 0.005

Число протонов в эффективном обьбме определено с точ-остью не хуже 0.5%.

Приведено описание конструкции детектора, представлящего собой кубический бак из нержавеющей стали с ребром 1300 мм. Эффективный объбм фиксировался выделением центральной части (14«14) матрицы счбтчиков и кадмиевыми трубками, надетыми на концы счбтчиков и ограничивавшими их чувствительную длину.

Приведено описание критериев отбора полезных событий. Отбор осуществлялся по амплитуде импульсов, длительности их фронта и кратности ьо временном интервале регистрации Т=400 мксек (время жизни нейтронов в детекторе тп~95 мксек).

Приведено описание электронного комплекса, осуществляющего регистрацию, отбор полезных событий и предварительную обработку информации.

Для снижения внешнего фона детоктор помещался в пассивную защиту из борированного полиэтилена толщиной 500 мм. Подавление фона, связанного с космическим излучением, обеспечивалось системой активной защиты из сщштилляционных пластин и баков с жидким сцитиллятором.

Приведбн анализ фоновых условий эксперимента при изме-

б

рвниях сечения рви к/щи об рятного бета-распада нейтрона. Особое внимание при этом уделялось выяснению стабильности фоновых условий.

Третья глава посвящена описанию эксперимента по прецизионному измерению сечения реакции обратного бета распада нейтрона, проводившемуся на реакторе Ровенской АЭС и обсуждению полученных результатов.

Измерения сечения проводились в специализированной ней тршгаой лаборатории, находящейся на глубине 30 м.в.э. Измерения проводились в течение двух кампаний работы реактора, длящихся примерно 10 месяцев.

Расстояние от реактора составляло <• 18 м, нейтринный поток на детектор составлял «« 6-(О12 Ув/см2-сек. Общее число зарегистрированных нейтринных событий составило 140 тысяч.

Детально проанализированы условия проведения эксперимента и параметры реактора, определлщие поток антинейтрино.

По результатам эксперимента продемонстрирована воспроизводимость нейтринного эффекта, равномерность счбта полезных событий по различным группам счбтчиков, выполнение условий компенсации на границах эффективного объвма детектора, линейность зависимости нейтринного эффекта от мощности реактора (с учетом изменения состава активной зоны). Описаны ежесуточные калибровочные измерения, обеспечивавшие контроль работоспособности и стабильности работы установки.

В результате измерений было получено наиболее точное на настоящее время (начало 1993г.) значение сечения реакции обратного бета-распада нейтрона:

о 8КСП- => 5.853 - 10"43 см2/деление ± 2.8 %

соответствующее усредненному составу активной зоны реактора:

изотоп «Эрц 238ц 241ри

V1 0.614 0.274 0.0Т4 0.038

кой'Ммционты Д. определяют вклад 1-го изотопа в общее энер-говидолешю реактора.

Проведано сравнение полученного результата с вычисленным на основании спектров антинейтрино, найденных в работах последних лот:

0.986 1 0.035

Близость атого отношения к единице в пределах погрешности подтверждает хорошее согласие со стандартной моделью.

Получено также значение сечения реакции (I) для нити-нейтрино от г35и:

О 8ксп(235ц) „ . )0-43 см2/ДоЛу11ие ± 2.9 *

Эта величина хорошо согласуется в пределах погрешности и результатами, полученными ранее на РАЭО

б 8К<;п(?Э5и) ^ 6-30 . 10-4Э ом2/д0Д„нив 1 ь %

и мировым средним на 1908 г.:

а аксп^ЗЬц) „ ь.з^ - К) 41 см2/деление 1 3.3 * . Получено значение аксиально векторной константы бета рас-

нади:

Получены ограничения на параметр нейтринных оецшишций абсолютным способом (сравнением измеренного сечении реакции (I) и вычисленного для данных условия проведения эксперимен та), хо{юшо согласующиеся с результатами других экспериментов. Получено также отношении потоков антинейтрино на расстояниях 13 и 18 и (близких к использованным французской группой) впервые новой методикой - одновременными измерениями на различных расстояниях двумя идентичными детекторами. Най-а

СА « 1.778 .10

ли ч

ьрг.см-' 1 2.2%

|Х.| - -- - 1.257 1 2.2%.

Данная величина отношения хорошо согласуется с отсутствием осцилляция на данных расстояниях от реактора.

Получено ограничение на параметр смешивания тяжелого нейтрино с массой 17 кэв:

| иеН |2 < 0.025 (68% С.Ь.)

Получено новое ограничение на абсолютную величину поляризации электронного антинейтрино:

| | > 0.95 (68% С.Ь.)

III. ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ.

Основные результаты настоящей работы сводятся к следующему.

1. Достигнут определенный прогресс в изучении взаимодействий реакторных антинейтрино с веществом.

а) Разработана методика прецизионного измерения сечения реакции обратного бета-распада нейтрона.

б) Создан новый нейтринный детектор, позволяющий реализовать разработашую методику.

в) Накоплен опыт работы, позволяющий дальнейшее совер-шествование методики исследований свойств нейтрино и развитие прикладных аспектов использования нейтринного излучения ядерных реакторов.

2. Измерено интегральное сечение реакции обратного бета-распада нейтрона:

5 эксп- » 5.853 « 10~43 см2/деление ± 2.8 % для композиции ядерного горючего в активной зоне реактора ВВЭР-440 и сечение для 23'(J:

ö эксп(235и) = е ¿в „ ю"4Э см2/деление ± 2.9 % с погрешностью меньшей, чем в других реакторных экспериментах (начало 1993 года).

3. Найдена аксиальная константа слабого взаимодействия

С,А = 1.778-10"*49 эрг-см3 1 2.2% |Л| * 1.257 1 2.2%

4. Найдены ограничения на параметры нейтринных осцилля-

ций абсолютным методом, хорошо согласующиеся с данными других экспериментов, и .впервые, с использованием новой методики измерений одинаковыми детекторами на разных расстояниях.

5. Найдено ограничение на параметр смешивания нейтрино массой 17 кэв:

I UeH I2 < 0.025 (68% C.L.)

6. Получено новое ограничение на абсолютную величину поляризации электронного антинейтрино:

I Ну I > 0.95 (68* C.L.)

7. Показана возможность нейтринной диагностики внутри-реакторных процессов с помощью детектора интегрального типа.

Основные результаты диссертации опубликованы в работах:

1.А.И.Афонин,А.Г.Вертинский,A.A.Кувшинников,Л.А.Микаэлян,С.В.Николаев, М.Д.Скорохватов,A.B.Этонко. Полное сечение обратного ß-распада (результат эксперимента на реакторе Ровенской АЭС, полученный интегральной методикой).

ЯФ, 1987,Т.46,стр.1590-1591

2.Л.А.Микаэлян,М.Д.Скорохватов,А.В.Этенко. Сечение реакции

+ р -> п + е+ и фундаментальные характеристики слабого взаимодействия.

Письма в ЖЭТФ,1988,т.47,стр.124-127

3.А.И.Афонин,С.А.Богатов,А.Г.Вертинский,С.Н.Кетов, Ю.В.Климов,

B.И.Копейкин,А.Л.Кувшишшков,А.А.Лабзов,И.Н.Мачулин,Л.А.Мика-элян,С.В.Николаев,К.В.Озеров,М.Д.Скорохватов,В.В.Синбв,C.B.То-

локошшков.А.В.Этенко. Нейтринные исследования на реакторе Ровенской АЭС.

Вопросы атомной науки и техники. Общая и ядерная физика.1988,Ж/42,стр.19-20

4.L.A.Mlkaelan.M.D.Skorokhvatov,A.V.Etenko. Croas section of Inverse beta-decay reaction (35 yeara later).

Contributed paper, 13-th Intern. Conf. of Neutrino physics and aatrophyalcs.1988,Boston,USA

5. А. И.Афонин, С.H. Беленький, А. Г. Be ршинский.Ю.Л.Добршшн, А. А. Кувшинников ,С.В.Николаев,Л.А.Микаэлян,M.Д.Скорохватов,А.В.Этенко. Водный интегральный нейтринный детектор "ВИНД".

Препринт ИАЭ 4778/2,1989

6.D.В.Климов,В.И.Копейкин,А.А. Лабзов.И.H.Мачулин,Л.А.Микаэлян,

C.В.Николаев.К.В.Озеров,В.В.СинОв,Ы.Д.Скорохватов,А.В.Этенко.

Измерение вариаций сечения реакции ve + р -> п + е+ в по-потоке ve от реактора.

ЯФ,1990.Т.51,стр.401-405

7.А.А.Кувшшшиков,Л.А.Микаэлян,С.В.Николаев,М.Д.Скорохватов,А.В. Этенко. Измерение сечения реакции v + р -> п + е+ и аксиальной константы бета-распада в новом эксперименте на реакторе Ровепской АЭС.

ЯФ,1990.Т.52,стр.472-479

8.A.V.Etenko,Yu.V.Kllmov,V.I.Kopelkln,A.A.Labzov,I.N.Machulln, L.A.Mlkaelyan,S.V.Nlkolaev,K.V.Ozerov,V.V.Slnev,M.D.Skorokhva-tov. Influence of fuel composition variation on results of measuring Inverse beta decay cross section at nuclear reactor (experiments at ROVNO NPP).

Contributed paper, 14-th Intern. Conf. of Neutrino physics and astrophysics.1990,Geneva,Switzerland

9.L.A.Mlkaelyan,S.V.Nlkolaev,M.D.Skorokhvatov,A.V.Etenko. Study of Interaction between electron antlneutrlnos and protons and deutrons at Rovno nuclear power plant reactor.

Contributed paper,14-th Intern. Conf. of Neutrino physics and astrophysics.1990,Geneva,Switzerland

10.Л.А.Микаэлян.С.В.Николаев,М.Д.Скорохватов,А.В.Этенко. Изучение взаимодействия электронных антинейтрино с протонами и дейтронами на реакторе Ровенской АЭС.

Доклад, 40-ое международное совещание по ядерной спектроскопии и структуре атомного ядра,Ленинград,19Э0.

11.L.A.Mlkaelyan,S.V.Nlkolaev,M.D.Skorokhvatov,A.V.Etenko,S.N.Ke-tov.I.N.Machulln. Study of Interaction between electron antlneutrlnos and protons and deutrons at Rovno nuclear power plant reactor.

Proc. of International School "Low energy weak interaction",(LEWI-90),Dubna,1991,p.188-191.

12.Yu.V.Kllmov,V.I.Kopelkln,A.A.Labzov,I.N.Machulln,L.A.Mlkaelyan K.V.Ozerov,V.V.Slnev,M.D.Skorokhvatov,A.V.Etenko. The Influence of reactor antlneutrlno spectrum change on Inverse beta decay cross section measurements.

Proc. of International School "Low energy weak interaction",(LEWI-90),Dubna,1991,p.216-221.

13. A. A. Ky вшинников, Л. A. Мика элян, С. В. Николаев, М. Д. Скорохватов, А. В..

Этенко. Прецизионное измерение сечения реакции v0+p-> п +е+

и

на реакторе Ровенской АЭС.

Письма в ЖЭТФ,1991.т.54,стр.259-262 14.М.Д.Скорохватов,А.В.Этенко. Поиск тяжблого нейтрино в эксперименте на реакторе Ровенской АЭС.

Письма в ЖЭТФ,1992,т.55,стр.421-423 1б.С.Н.Кетов,И.Н.Мачулин,Л.А.Микаэлян,С.В.Николаев,0.А.Петрови-чев.М.Д.Скорохватов,А.В.Этенко. Эксперимент в новой постановке по поиску нейтринных осцилляций на реакторе.

Письма в ЖЭТФ,1992,т.55,стр.544-547

ЛИТЕРАТУРА.

1.J.Bouchez. Neutrino oscillations at reactors.

Proc. or the 13-th International Conference on neutrino phlslcs and astrophysics.1988,Boston,p.28-39

2.E.Х.Ахмедов,А.А.Боровой,Ю.В.Гапонов,A.H.Херувимов. Сечение обратного p-распада и поляризация электронного антинейтрино.

Письма в ЖЭТФ,1987,т.46,стр.258-261

3.M.BllenKy,A.liaslero,S.P.Petcov.On the 17-kev mass neutrino.

Phys.Lett.B.,1991,v.263,p.448-454

4.Г.Вершинский,А.А.Мелузов,Л.А.Микаэлян,C.B.Николаев,М.Д.Скорохватов, А.В.Этенко. Измерение сечения взаимодействия реак-

■ торных антинейтрино с дейтроном на Ровенской АЭС.

Письма в ЖЭТФ,1991,т.53,стр.489-492 Б.Ю.В.Климов.В.И.Копейкин.А.А.Лабзов.Л.А.Микаэлян.К.В.Озеров.В. В.Синбв.С.В.Толоконников. Измерение спектра электронных антинейтрино ядерного реактора.

ЯФ,1990,т.54,стр.1574-1582