Установка "Троицк ню-масс" для прецизионного измерения кинематической массы нейтрино из β-распада трития тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.01 ВАК РФ

На правах рукописи

Гэраскин Евгений Васильевич

Установка «Троицк ню-масс» для прецизионного измерения кинематической массы нейтрино из (3-распада трития (Криогенная и сверхпроводящая часть)

Специальность 01.04.01 - приборы и методы экспериментальной физики

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

о 2 ОКТ 2008

003447686

На правах рукописи

Гэраскин Евгений Васильевич

Установка «Троицк ню-масс» для прецизионного измерения кинематической массы нейтрино из р-распада трития (Криогенная и сверхпроводящая часть)

Специальность 01.04.01 - приборы и методы экспериментальной

физики

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Работа выполнена в Институте ядерных исследований РАН.

Научный руководитель: доктор физико-математических наук,

академик В. М. Лобашев

Официальные оппоненты:

доктор физико-математических наук

Неганов Б. С. доктор физико-математических наук профессор Куденко Ю.Г.

Ведущая организация: Московский инженерно-физический институт.

/Г**

Защита состоится i< 6. % 0, 2008 2008 г°Да в часов на заседании Диссертационного совета Д 002.119.01 Института ядерных исследований РАН (117312, Москва, просп. 60-летия Октября, д. 7а).

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института ядерных исследований РАН.

Автореферат разослан « ^ 200 8 2008 года.

Ученый секретарь диссертационного совета

кандидат физико-математических наук Б. А. Тулупов

Общая характеристика работы

Целью и задачей данной диссертации явилась разработка в ИЯИ РАН нового метода прямого измерения Р-спектра трития вблизи его граничной энергии с целью изучения массы электронного антинейтрино с помощью интегрального электростатического ^-спектрометра с магнитной адиабатической коллимацией и создание в течение 1985 - 1990 гг. на его основе установки «Троицк ню-масс», где в качестве источника электронов используется газовый молекулярный источник трития. В 1990 - 2005 гг. на ней было проведено 25 сеансов измерений. Методика измерения впервые была предложена В М. Лобашевым и П.Е. Спиваком в 1982г.

Научная новизна и практическая ценность работы:

1) Создана установка «Троицк ню-масс» нового типа для измерения массы нейтрино на основе прямого изучения Р-спектра трития, имеющая более высокие параметры (разрешение ЛЕ = 3,4 эВ, фон 10 мГц, плотность источника электронов 1014 - 1015 см"3) по сравнению с ранее созданными установками для этих целей.

2) Установка «Троицк ню-масс» представляется компактной и надежной, что стало возможным благодаря использованию сверхпроводящих соленовдов в количестве 19 штук, создающих сильные магнитные поля от 0,8 Тл до 5 Тл в молекулярном источнике и до 8 Тл в Р-спектрометре Также она является компактной благодаря использованию для охлаждения сверхпроводящих соленоидов двухфазной парожидкостной смеси гелия, последовательно протекающей по всем 12 криостатам установки от ожижителя ТСР-20, модернизированного для рефрижераторного охлаждения установки «Троицк ню-масс».

3) Особенностью используемой в установке «Троицк ню-масс» криогенной системы является последовательно ломанная линия 4,5 К криостатов и соответственно сверхпроводящих соленоидов газового молекулярного источника трития, что позволило избежать попадания молекул трития в спектрометр и тем самым снизить измерительный фон, а также обеспечить соединение криостатов холодными гелиевыми частями.

4) Существенное снижение измерительного фона на установке «Троицк ню-масс» обеспечивалось использованием 4,5 К поверхностей гелиевых криостатов внутри вакуумного кожуха Р - спектрометра, где требуемый вакуум должен быть лучше чем Ю~10 мбар Внесение холодных криостатов внутрь объема позволило повысить откачку Р - спектрометра до уровня ~ 20 000 л/сек и обеспечить необходимый вакуум

5) Проведенные измерения {3 - спектра трития вблизи его граничной энергии позволили получить лучшее на сегодняшний день ограничение на массу нейтрино:

т(у, )< 2,05 эВ/с2 (95% С.Ь.),

а также впервые позволили провести измерения по изучению объёмного заряда в молекулярном источнике трития с помощью измерения уширения конверсионной линии чистого 83шКг и в смеси 83тКт+Т2.

Опытные данные, полученные в ходе длительных исследований на установке «Троицк ню-масс», найдут практическое применение как при дальнейшей модернизации существующей установки, где предусматривается повысить энергетическое разрешение до АЕ< 1 эВ, так и при постройке новой установки «КАТРИН» [40], строящейся в Карлсруэ (Германия)

Апробация работы. Результаты диссертационной работы неоднократно докладывались и обсуждались автором на международной конференции по магнитной технологии (2 доклада) МТ - 11 (Цукубо, Япония, 1987 г.) на семинаре в Институте ядерной физики КЕК Япония (1988 г.), на Международных научных совещаниях, проводимых в рамках совместной работы по эксперименту КАТРИН (Москва, Карлсруэ 2003, 2004,2005 гг.), на научных совещаниях в рамках сотрудничества ИЯИ -КИАЭ по поиску массы нейтрино и по технической сверхпроводимости и криогенике.

Личный вклад автора. Автор принял самое активное участие в изготовлении и испытаниях всех узлов установки электростатического спектрометра, тритиевого молекулярного источника, системы обеспечения установки жидким гелием и азотом, а также в проведении всех научных исследований на ней Непосредственно автором проведена разработка и запуск системы криогенного снабжения установки, включая монтаж, настройку и запуск всех узлов гелиевого ожижителя, гелиопровода с азотной экранировкой, системы очистки гелия от примесей и измерения низких температур на установке в целом

Автор принял главное участие в изготовлении, испытании и монтаже на установке всех сверхпроводящих соленоидов и их гелиевых криостатов.

Автором самостоятельно предложена и успешно реализована схема обеспечения установки парожидкостной смесью гелия с высокой стабильностью поддержания температур сверхпроводящих соленоидов.

Структура и объём работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и списка литературы. Она изложена на 136 страницах, включая 57 рисунков, 13 таблиц и 55наименований в списке литературы.

Содержание диссертации

Во введении рассматривается актуальность для современной физики и космологии наличия у нейтрино массы отличной от нуля и приводится краткий обзор литературы по экспериментальным методикам поиска массы нейтрино, а также дан исторический обзор прямых кинематических экспериментов по поиску массы нейтрино в бета-распаде трития.

Одной из важнейших задач современной физики элементарных частиц являются исследования по физике нейтрино и, в частности, изучение возможности существования ненулевой массы нейтрино

Сегодня известно существование трёх типов нейтрино ve v^ vx, и их антинейтрино, отличающихся пептонами, с которыми они связаны.

В Стандартной модели элементарных частиц нейтрино предполагается безмассовым и сотни экспериментов по нескольким направлениям были предприняты с целью обнаружения эффектов связанных с массой нейтрино как явления выходящего за рамки Стандартной модели. К ним относятся:

1. Поиск осцилляций нейтрино.

2 Поиск безнейтринного двойного ß-распада.

3. Наблюдение запаздывания нейтрино от вспышек сверхновых звезд.

4 Прямое измерение массы нейтрино

5. Исследование космологических следствий массивности нейтрино.

Возможность существования ненулевой массы покоя нейтрино является важнейшей проблемой не только физики элементарных частиц, но и космологии. Является ли нейтрино майорановской или дираковской частицей и имеет ли массу, играет важную роль при построении таких современных теорий частиц, как Теория Великого объединения и Теории Суперсимметрии. В последнее время физика нейтрино приобрела еще большую значимость в связи с наблюдением недостатка солнечных нейтрино, дефицита атмосферных v^, а также попыток создать космологические модели, включающие смешанную небарионную «тёмную» материю во Вселенной с привлечением конечной массы нейтрино. Также наличие массы у нейтрино может привлекаться к объяснению асимметрии между материей и антиматерией в ранней Вселенной.

В последние годы было сделано два ключевых открытия, существенно изменивших представления о физике нейтрино и его роли в природе: открытие осцилляций нейтрино [3] и наблюдение анизотропии реликтового излучения [4,5].

Нейтринные осцилляции были наблюдены в экспериментах с солнечными и атмосферными нейтрино на установках Суперкамиоканде [6], SAGE [7], GALEX [8] и SNO [9] и доказали, что нейтрино смешиваются и что они имеют ненулевую массу. По современным представлениям, нейтрино является суперпозицией трех массовых состояний, массы которых, по крайней мере, двух из них, не равны нулю.

Собственные состояния слабого взаимодействия v„v ,vt описываются

собственными состояниями для масс нейтрино Vi, V2, v3 в виде произведения:

(V (V и,2 и, з

= {и). , где U матрица смешивания, U = и

U, Л, и* V«

Задачей осцилляционных экспериментов является определение элементов матрицы смешивания Uи определение квадратов массы состояний Vi, V2, V3. К сожалению, осцилляционные эксперименты чувствительны только к разности квадратов масс нейтрино:

и вопрос об абсолютной величине массы нейтринных состояний остается открытым.

Таким образом, если одна масса нейтрино измеряется абсолютно, полный спектр масс нейтрино может быть вычислен с использованием величины Дт2, полученной го осцилляционных экспериментов

Теории за рамками Стандартной модели пытаются объяснить малость массы нейтрино в сравнении с массивными заряженными фермионами. Одним популярным объяснением является "see-saw I" механизм [11], привлекающий тяжелые Майорановские нейтрино, и это приводит к иерархической картине нейтринной массы. Альтернативная "see-saw II" модель, использующая Хиггсовский триплет, приводит к сценарию с квазивырожденными массами нейтрино. Здесь все массы равны 0,1 эВ/с2 или выше, с незначительной разностью масс между разными типами нейтрино для объяснения осцилляций В пользу последнего сценария может свидетельствовать почти максимальное смешивание, наблюдаемое в процессе осцилляций.

В космологии данные об абсолютном масштабе для масс нейтрино могут быть получены из астрофизических наблюдений распределения вещества и энергии во Вселенной для различных масштабов. Обычно в этих анализах используют комбинации данных о микроволновом реликтовом излучении (например, результатов от спутника WMAP [14]), распределении галактик в нашей Вселенной (так называемая «Large Scale Structure» [15]) , форме распределений так называемого «Lyman a-Forest» [16] или Х-гау кластеров, чтобы описать распределение материи на крупных, средних и малых масштабах. Считается достоверным вывод о несовместимости большой массы нейтрино с наблюдаемой крупномасштабной структурой Вселенной В большинстве случаев они дают верхние пределы на массу нейтрино масштаба нескольких 0,1 эВ/с2 В некоторых случаях анализ дает ненулевые массы нейтрино, но по мере уточнения данных наблюдается тенденция к снижению предела ниже 0,1 эВ/с2.

Одним из немногих лабораторных методов обнаружения массы нейтрино является поиск безнейтринного двойного p-распада (0v2p). Процесс заключается в превращении двух нейтронов (протонов) в два протона (нейтрона) внутри ядра. Обычно испускаются два электрона (позитрона) и два нейтрино (антинейтрино) и спектр испускаемых электронов представляется сплошным [17]. В случае же, если нейтрино является Майорановской частицей (частица является собственной антича-

6

стицей), распад (0у2Р) может произойти и без испускания каких-либо нейтрино. Этот переход прямо пропорционален массе нейтрино (при отсутствии правых токов или обмена другими новыми частицами)

Наиболее чувствительным экспериментом по двойному Р-распаду на настоящее время является эксперимент Гайделъберг-Москва [18] в подземной лаборатории Гранд-Сассо (¿Ое-^Хс 2с т 2 и, распад), использовавший пять низкофоновых обогащенных (86%ЦОе) германиевых детекторов высокого разрешения Часть этой группы исследователей заявила об обнаружении безнейтринного двойного [3-распада и представила данные о наблюдении моноэнергетической (3-линии с предсказанным положением на уровне достоверности 4 а. С учетом неопределённого ядерного матричного элемента это соответствует массе нейтрино в интервале-ОД эВ/с2 <шя.<0,9 эВ/с2 Прямое измерение массы нейтрино

В противоположность другим методам прямой метод измерения массы нейтрино не требует никаких предположений и масса нейтрино определяется с использованием релятивистских соотношений энергия - импульс. Поэтому т20) получается просто наблюдаемой величиной.

Для масс нейтрино и это измерение распадов пиона на мгоон и V,, и распад т-лептона на пять пионов и \>т Получены следующие верхние пределы [201

<190 кэВ для распада я -» ¡.IV^ 15,5 МэВ для распада т~ -» Ъп~ + 1ж* + Оба предела, как ввдно, намного больше диапазона значений, представляющего интерес для физики частиц и космологии. Поэтому, в настоящее время основным объектом исследования по массе нейтрино является ядерный р-распад, конкретно трития: 3Н->3#е + е + V, .

Решение задачи заключается в прецизионном измерении спектра электронов р-распада трития вблизи граничной точки Еп, когда почти вся энергия распада передается электрону (рис.1).

Эта часть спектра характеризуется быстро снижающейся скоростью счета при приближении к Е0, точнее, скорость счета пропорциональна квадрату расстояния до края спектра, а ненулевой массе нейтрино соответствует постоянный сдвиг'

Можно отметить, что интегральная часть спектра в этой узкой облаете пропорциональна (Е(ГЕ)\ Отметим, что доля спектра ниже Ео для ш,, = 1 эВ составляет от полного р-спектра трития только 2-10"13 интенсивности, а для Р-распадов других ядер (кроме !87Ке) ещё меньше В связи с этим исследование Р-спектра трития должны выполняться (З-спектрометром, который должен

иметь высокое энергетическое разрешение ЛЕ/Е, высокую скорость счета (светимость Ь), низкий собственный фон вблизи Е0 = 18,6 кэВ

Экспериментальные исследования по изучению распада трития ведутся в течение 50 лет и только в последние годы (1990 - 2005 гг) получены значительные результаты для массы нейтрино На сегодня лучший и достоверный результат получен в ИЯИ РАН на интегральном спектрометре с использованием молекулярного источника трития

Это новый тип спектрометра отличается от используемых ранее. Он впервые был предложен В М Лобашевым и П.Е. Спиваком в 1982 г. [32, 33], затем численно обоснован в работах В.М. Лобашева и др в 1984-85 гг и получил далее название «интегральный электростатический спектрометр с магнитной адиабатической коллимацией» [34, 35].

В первой главе описывается интегральный электростатический спектрометр с магнитной адиабатической коллимацией, общий принцип действия, его функция отклика (пропускания) и детальная конструкция спектрометра, используемая в установке «Троицк ню-масс»

Рисунок 1 Спектр электронов (3-распада трития (а) Форма спектра в близи граничной точки (Ь) для массы нейтрино т., = 0 эВ и т, = 1 эВ Штриховкой показана относительная доля измерений спектра при наличии у нейтрино массы

Принцип действия интегрального [3-спектрометра заключается в наличии продольного магнитного поля, которое имеет конфигурацию аксиально-симметричной магнитной бутылки Электроны, вылетающие из первой пробки, где находится сам источник, замедляются до почти нулевых скоростей электрическим потенциалом центрального анализатора ~18 — 20 кВ и совершают медленный дрейф вдоль силовых линий центрального магнитного поля, созданного рассеянным полем сверхпроводящих соленои-

дов и «теплым» соленоидом, по направлению ко второй пробке, ускоряя свое движение в направлении на детектор (рис. 2). Источник электронов размещается либо в первой пробке с сильным магнитным полем Но ~ В Тл, либо в области с более слабым полем Н'0 перед пробкой. В центральной части (медианная область), где магнитное поле более слабое Hm ~ 10 - 15 мТл, располагается электростатический анализатор V=Vo. Во второй пробке с полем ~ 3 Тл находится детектор электронов D Конфигурация ведущего магнитного Н и тормозящего электрического поля Е подбираются так, чтобы электроны, двигаясь по спиральным траекториям вдоль магнитных силовых линий, проходили это поле с сохранением адиабатического инварианта jr

|i = v2-i/H = const.

ví = v sin(a), где v - скорость электрона, а - угол между направлением скорости электрона и направлением магнитных силовых линий.

В первой пробке, угол а между вектором скорости электрона и направлением силовой линии составляет в пределе л/2. О < а <п/2, a угол ат в медианной плоскости определяется как: arcsm(a^) = ^¡Н^ТЩ ~ ат

Медианная область

V=V„

Рисунок 2 Принципиальная схема интегрального спектрометра с магнитной адиабатической коллимацией

Электроны в этом случае выстраиваются вдоль силовых линий магнитного поля в медианной области, где размещается электростатический анализатор, пропускающий далее только электроны, имеющие энергию больше, чем тормозящий потенциал, установленный на анализаторе Если поперечная компонента импульса электрона отсутствует (или меньше ДЕ), а продольная компонента импульса полностью тормозится анализатором, то разрешение по энергии ДЕ составит.

АЕ = Ей sin2 am = Ей = , На у

где у есть отношение напряженности магнитного поля на входном соленоиде в первой пробке к напряженности магнитного поля в средней медианной области Яя у = /7, / //„, и разрешающая способность спектрометра выражается как 1/у.

Сохранение адиабатического инварианта р. обеспечивает такое движение электронов вдоль магнитных силовых линий, что никакие электроны, образующиеся вне объема, ограниченного крайними силовыми линиями, оканчивающимися в чувствительном объеме детектора, не могут регистрироваться детектором Для данного спектрометра сохранение ц означает также, что относительное энергетическое разрешение и светимость не зависят от энергии электронов.

Заданной конфигурации магнитное поле спектрометра формируется системой сверхпрповодящих соленоидов (на рис 3: 1, 15, 16, 17) и «теплого» соленоида (7).

Рисунок 3 Устройство спектрометра 1 - соленоид источника электронов, 2 -пневмошибер, 3, 11 - азотные экраны, 4 - центральная обечайка вакуумного кожуха, 5, 10 - «заземленые» электроды, 6, 9 - электроды смещения потенциала, 7 - «теплый» соленоид, 8 — электрод электростатического анализатора, 12, 18 - днища вакуумного кожуха, 13 - детектор электронов, 14, 19 - шаровые опоры криостатов, 15 - соленоид детектора, 16 - плоский соленоид, 17 - конусный соленоид источника

Размещение массивных криостатов со сверхпроводящими соленоидами весом около 350 кг внутри вакуумного кожуха потребовало особого внимания к качеству их герметизации, тк. наличие «холодной» течи гелия потребовало бы их замену. Поэтому, для надежности, после сварки каждого из криостатов, они подвергались вакуумному отжигу при температуре 700 °С и последующей проверке. Использование 4,5 К поверхностей криостатов внутри вакуумного кожуха оказалось крайне необходимым условием для

получения вакуума в спектрометре на уровне 5-10"ш мбар за счет криогенной откачки, что способствовало получению низкого фона спектрометра.

Во второй главе дается описание тритиевого молекулярного источника (ТМИ) как безоконного источника электронов, имеющего плотность —5-1014 атм/см2. Электроны из тритиевого источника, представляющего собой трубу из нержавеющей стали диаметром 50 мм и длиной 3 м, с магнитным полем 0,8 Тл в центральной части и 5 Тл по краям, транспортируются по магнитному каналу (рис. 4) к спектрометру без искажения спектра. Для сохранения адиабатического движения электронов в зазорах между соленоидами в магнитном канале поле должно составлять более 0,5 - 1,0 Тл. Исследуемый распад трития происходит внутри цепочки из шести соленоидов, охватывающих тритиевую трубу, и электроны в спектрометр движутся вдоль силовых линий магнитного поля, создаваемого пятью соленоидами, расположенными виде «змейки». Такая «магнитная змейка» позволяет избежать прямого попадания молекул трития в спектрометр и снизить измерительный фон.

Рисунок 4. Система соленоидов тритиевого молеку лярного источника

Газообразный тритий под давлением ~ 2,5 мбар (рис. 5) подается через регулируемый вентиль (6) в середину тритиевой трубы (Т=25 — 30 К), где давление составляет 10"2 - 1О"3 мбар, и откачивается диффузионными насосами по краям в промежутках между соленоидами. Выход ртутных насосов (коллектор) подключается через бустерный насос и регулируемый вентиль к средней части тритиевой трубы, обеспечивая замкнутый циркуляционный цикл трития. Использование ртутных насосов является

одной из немногих возможностей дм организации циркуляции трития, поскольку тритий не взаимодействует с ртутью

Рисунок 5 Устройство тритиевого молекулярного источника 1 - задняя часть ТМИ (фотопушка + мониторный детектор), 2, 8, 9, 16 - ртутные диффузионные насосы, 3 - очистной патрон трития, 4 - защитный бокс, 5 - хранилище трития, б - вентиль «тонкой» регулировки для напуска трития в источник, 7 -коллектор, 10 - турбо.молекулярный насос преспектрометра, 11-вакуумный кожух преспектро.четра, 12 - электрод преспектрометра, 13- соленоид (Во = 2,5 Тл), 14 -аргоновый насос, 15 - соленоид «змейка» (Во = 5 Тл ), 18 - соленоид тритиевой трубы (В0 = 0,8 Тл), 19 - тритиевая труба, 20 - соленоид задней стенки (Во = 5 Тл), 21 -вакуумный кожух ТМИ

Откачка трития в источнике производится Р1, Р2, РЗ, Р4 ртутными насосами и криогенным 4,5 К аргоновым насосом. Полный фактор такого вида откачки позволяет снизить давление трития в спектрометре до величины ~ 5Т0"16 мбар

Магнитная система ТМИ содержит 15 сверхпроводящих соленоидов, Соленоиды намотаны одним и тем же проводом КЪ'П (50% Т1), диаметром 0,85 мм с количеством жил 1045, имеющим высокую плотность тока ~ 4-105 А/см2 в поле 5 Тл Соленоиды испытывались в гелиевой ванне 4,2 К и подвергались «квенчеванию». Рабочий ток выбирался с необходимым запасом и составлял 200 А, критический ток ддя соленоидов составлял более 300 А.

Соленоиды ТМИ размещены в восьми независимых гелиевых криостатах один из которых длиной 4,5 м (девять соленоидов), пять - длиной

по 0,6 м (один соленоид) и один длиной 0,25 м (один соленоид). Компенсация температурных нагрузок обеспечивается сильфонными развязками между криостатами и по краям цепи криостатов

Криостаты охлаждаются двухфазным потоком гелия 4,5 К параллельно через нижний и верхний коллекторы. Из-за высокой разницы гидравлических сопротивлений криостаты до температуры 14 К охлаждаются неравномерно, а ниже - система саморегулируется и захолаживается равномерно.

Хорошая азотная экранировка криостатов обеспечивает низкий суммарный теплоподвод по опорам (10 Вт для массы - 450 кГ).

В третьей главе дается описание криогенной системы установки. Общее количество криостатов установки составляет 12, из них восемь расположены в ТМИ, четыре - в спектрометре, и отдельный отсечной криостат -перед ожижителем ТСР20

Охлаждающий двухфазный поток гелия с температурой 4,5 - 4,6 К, идущий от дросселя ожижителя ТСР20 под небольшим давлением 0,6 — 0,8 атм , представляет из себя двухфазную смесь из жидкости (~ 40%) и пара (~60%), которая последовательно проходит всю цепочку из 12 криостатов, охлаждая до температуры 4,5 - 4,6 К сверхпроводящие соленоиды А на возврате этого потока гелия в ожижитель ТСР20 из потока отсекается жидкость в специальном встроенном в циркуляционный контур отсечном криостате объемом 10 л, а оставшийся газовый поток при температуре 4,6 К и при давлении 0,10 атм. поступает в нижний теплообменник ожижителя

Герметичный

вакуумный:-1—1

насос !—

—( ' У=20 м\ Р=3 атм ,

Резервная аварийная емкость

Баллоны 400лХ150атм

Буферная емкость

защитные мембраны

Рисунок 6. Схема обеспечения установки жидким гелием

Блок ожижителя

тся-го

Криогеника представлена сложным в техническом отношении и довольно громоздким оборудованием.

В качестве рефрижератора используется гелиевый ожижитель фирмы "Zulzer" типа TCF20 выпуска 1984 года небольшой производительностью ~ 25 л гелия в час, переоборудованный под условия нашего эксперимента. Гелиевые криостаты установки изготавливались с учетом минимального количества жидкого гелия в установке, составляющего около 100 литров.

Азотное охлаждение установки осуществляется привозным жидким азотом с использованием стандартных азотных ёмкостей ТРЖК - 8 м3, ТРЖК - 1 м3. Суммарное потребности азота при проведений измерений на установке довольно велики и составляют —2000 кг/сутки.

Ожижитель гелия TCF-20 работает по схеме с предварительным азотным охлаждением (потребление 60 - 70 л/час) с двумя газодинамическими турбодетандерами и дроссельной ступенью охлаждения.

Блок компрессора ожижителя весом около 1700 кг состоит из винтового компрессора DSB-170, представляющего собой устройство, в котором вращающаяся навстречу винтовая пара сжимает смесь газ + масло до давления ~ 10 атм., а затем газ отделяется от масла, охлаждается, очищается от следов масла в сепараторе и поступает на вход системы маслоочистки, а затем в ожижитель

В четвертой главе описывается процесс охлаждения установки.

Откачка объема спектрометра перед сеансом измерений производится в течение трех - четырех дней с помощью турбовакуумного насоса фирмы ALCATEL типа NT-50 (450 л/сек) с использованием цеолитовой ловушки. После достижения вакуума в спектрометре ~ 6-Ю"7 мбар. в процесс тренировки включается магниторазрядный насос со степенью откачки 5-10"8 мбар

Передача парожидкостной смеси от ожижителя в криостаты осуществляется посредством гелиопровода, общая длина которого составляет ~ 40 метров Подсоединение гелиопровода к криостатам молекулярного источника осуществляется через разборные индиевые штуцерные уплотнения на прямом и обратном потоке жидкого гелия, а подсоединение к криостатам спектрометра через паяные оловом соединения труба в трубе Доступ к индиевым уплотнениям производится через скользящие вакуумные соединения.

Для первоначального охлаждения криостатов установки забор гелия осуществляется из буферной емкости объемом 2 м3 (рис. 6) При этом количество чистого гелия в буферной емкости пополняется чистым газом из низкотемпературной очистной системы "Purifier", встроенной в ожижитель.

Охлажденный на турбодетандерах гелий с температурой 30 - 35 К направляется по гелиопроводу на криостаты и по выходе из отсечного криостата К10 направляется, минуя TCF, в линию низкого давления (Р ~ 0,1 атм.) непосредственно на вход компрессора

Процесс охлаждения установки со сбросом выходящего из неё холодного газа непосредственно на вход компрессора, а не в теплообменники ТСР20 продолжается вплоть до температуры 11 - 12 К в отсечном криостате.

После достижения температур 11 - 12 К на выходе из установки гелий через холодный вентиль В4, установленный на крышке ожижителя, подается на вход IV теплообменник, минуя V теплообменник При этом сброс холодного газа из отсечного криостата К10 на вход компрессора прекращается и весь выходящий из установки поток направляется в ТСР на вход IV теплообменника

После достижения температуры 7,1 - 7,2 К на выходе из установки холодный вентиль В4 закрывается, а холодный вентиль В5 открывается и включается на охлаждение дроссельная ступень охлаждения ожижителя вентиль Л, где происходит эффективное дросселирование потока на вентиле Джоуля-Томсона с образованием двухфазной смеси гелия (30% жидкости + 70% пара). Эта смесь подается под избыточным давлением 1,1 - 1,2 атм. в установку, охлаждая последовательно все криостаты с соленоидами. Газ из установки проходит через все теплообменники ТСР20, включая V, и с этого момента осуществляется процесс дальнейшего охлаждения соленоидов до рабочих температур 4,5 - 4,6 К и накопление жидкости (~ 100 л) в криостатах установки. Скорость ожижения гелия при заполнении установки составляет 10 - 12 л/час жидкости. Момент окончательного заполнения криостатов жидким гелием определяется по появлению в отсечном криостате К10 жидкого гелия, а фиксируется по указателю уровня, выполненного из пенопластового поплавка

В пятой главе описывается р-спектрометр, электрическое поле которого в сочетании с сильным магнитным полем по существу является гигантской ловушкой Пеннинга, которая используется для генерации плазмы В нашем случае, сверхвысокий вакуум внутри спектрометра препятствует образованию плазменных эффектов, и тем не менее, во время проведения измерений такие эффекты наблюдались и пришлось изменять конструкцию гелиевого криостата для исключения ловушек в области детектора и, соответственно, уменьшению фона. Описывается подавление фона за счет оптимального соединения откачных элементов тритиевого молекулярного источника, за счет использования крионасоса и специальных гребенок, покрытых намороженным аргоном. В результате стандартный фон установки не превышает величины 5—10 мГц.

Приводится описание процесса измерения р-спектра вблизи граничной энергии посредством сканирования высокого напряжения, приложенного к анализирующему электроду, в интервале энергий 18000 - 18700 эВ с отсчетом по 60 - 70 измеряемым точкам Полученный экспериментальный спектр фитируется рассчитанным теоретическим спектром, представляющим свертку дифференциального спектра с функцией отклика, включающей

неупругое рассеяние электронов в тритиевом источнике и функцию пропускания спектрометра. Спектр энергетических потерь специально измерялся на установке по пропусканию через тритиевый молекулярный источник «монохроматических» электронов от электронной пушки

Отмечается, что важными поправками для коррекции экспериментальных данных явились учет спектра конечных состояний для случая свободной молекулы по методу «sudden approximation» (расчеты С. Ионсена и А. Саенца) и учет захвата электронов в ловушку ТМИ, так называемый «трэппинг» эффект (расчеты Б. Штерна).

При измерениях [З-спектра трития вблизи его граничной энергии наблюдалась аномалия в виде ступеньки в интегральном спектре, что соответствует пику моноэнергетической линии в дифференциальном спектре. Положение данной ступеньки относительно граничной энергии {3-спектра и ее абсолютная величина менялись от сеанса к сеансу. Природа данной аномалии, мешающей получить более точное ограничение на предел массы нейтрино и увеличивающей систематическую ошибку в эксперименте в два раза, до сих пор не выяснена.

Приводятся результаты фитирования экспериментальных данных

л дг _ дг

X2 =У (Res,)2, где Re.v = - -- для диапазона энергии Eg = 18575 эВ

.

(точка 64) и £7ои=18300 эВ (точка 14). Приводятся выраженные вклады в спектр различных эффектов- «трэппинг» эффект, «ступенька», коррекция граничной энергии Ео и влияния /и2.

В ходе обработки полученных в 23 сеансах измерений р-спектра удалось получить лучший на данный момент результат на верхний предел квадрата массы нейтрино:

mv2= -2,3 ± 2,5 ± 2,0 eV2/c4,

(фит ) (сист)

Также описываются исследования по обнаружению объемного заряда в тритиевом источнике. Для этой цели к тритию подмешивался радиоактивный газ 83шКг с энергией конверсионных L электронов~30,5кэВ, и по уширению моноэнергетической линии 83mKr проверялось наличие потенциала объёмного заряда. В двух сеансах (ноябрь 2004 г., июнь 2005 г.), измерялось уширение линии L3 (30477,2 + 3,0 эВ) конверсионных электронов mRr в смеси криптона и трития по сравнению с чистым 83шКг. В ходе проведения сеанса измерения наблюдалось уширение и сдвиг ЬЗ-линии электронов S3mKr при совместной циркуляции с тритием (рис. 7).

Полученное ограничение на величину флуктуаций потенциала объемного заряда позволило получить ограничение на связанный с ним ложный отрицательный квадрат массы нейтрино в нашем эксперименте -0,8<Дж2<0 эВ2

109376543450

•И»*'*'««".* *

i i

"mKr L3 - line, Run39 10QA/15A spectrometr setting (full step 6.8 eV) Data with pure Kr Data Kr + T2 (X=.26) normalized to the same non-scattering intensity L3-line broadening with a2= 5 eVJ 10 eV2

' i '

460

1 I 470

480

HV - 30000, V

490

500

Рисунок 7. Уширение ЬЗ линии криптона

В заключении излагаются основные результаты, выносимые на защиту.

1. Предложен новый тип электростатического (3-спектрометра с магнитной адиабатической коллимацией (авторское свидетельство №1707652 (1991 г.), заявка №4418616 (1988 г.))

2. Изготовлен новый тип электростатического (З-спектрометра с магнитной адиабатической коллимацией, превосходящий по своим параметрам все существующие аналоги в области исследования р-спектра трития и имеющем самое высокое разрешением по энергии, равное 3,4 эВ. Главной отличительной особенностью нового спектрометра является также высокая светимость Ь = 0,3 - 1,0 см2, превосходящая на порядок другие типы р-спектрометров для области низких энергий.

3. Предложен и изготовлен безоконный тритиевый молекулярный источник на основе циркулирующего газообразного трития, имеющий плотность 1014 — 10ь мол/см3 с высокоэффективным перехватом трития, вылетающего в сторону спектрометра, с фоном на уровне 5 -10 мГц Это стало возможным благодаря использованию изогнутого канала транспортировки электронов из источника в спектрометр, а также благодаря адсорбционному насосу на основе напыленного аргона.

4. Разработана и изготовлена сверхпроводящая магнитная система для установки «Троицк ню-масс», состоящая из 19 соленоидов с напряжённостью магнитного поля от 0,8 Тл до 8 Тл.

5. Изготовлена система снабжения жидким гелием криостатов установки «Троицк ню-масс» с использованием парожидкостной смеси от рефрижератора фирмы «2и1гег» типа ТСР20 с мощностью ~90 Вт при 4,5 К, который был модифицирован под условия эксперимента

6. Разработаны и изготовлены 12 гелиевых криостатов установки «Троицк ню-масс» для размещения в них сверхпроводящих соленоидов с общей захолаживаемой массой около 800 кг.

7. Разработан гелиопровод протяженностью ~40 м с азотным экранированием, имеющий разъемные индиевые уплотнения для подключения отдельных частей установки «Троицк ню-масс»: |3-спектрометра, тритиевого молекулярного источника и гелиевого рефрижератора.

8. Разработан и успешно используется криогенный комплекс установки «Троицк ню-масс», включающий в себя ожижитель гелия ТСР20, систему сбора и хранения гелия и жидкого азота, систему очистки и контроля газообразного гелия от примесей

9. В течение 1994 - 2001 гг. проведены сеансы измерения р-спектра трития вблизи граничной энергии Ео = 18570 эВ и получен результат для квадрата массы нейтрино"

т2(к) = (~2 3 + 2 5 ± 2 0) эВ2/с4

(фш ) ([-ИСТ )

и установлен верхний предел т(у,)< 2,05эВ/с2 (95% С Ь.). В настоящее время установка «Троицк ню-масс» в ИЯИ РАН является уникальной установкой, включающей в себя интегральный [¡-спектрометр с магнитной адиабатической коллимацией и безоконный источник электронов на основе молекулярного циркулирующего трития, имеющая разрешение ДЕ = 3,4 эВ, светимость Ь= 0,3 см2 и собственный фон 10-15 мГц.

Строящаяся в Германии (Карлсруэ) установка «КАТРИН», обещающая дальнейшее улучшение чувствительности благодаря большим размерам вступит в строй еще через несколько (~5) лет. Необходимо отметить, что полученные на нашей установке «Троицк ню-масс» результаты исследований широко используются в эксперименте «КАТРИН», в частности, концепция газового источника с использованием изогнутого канала транспортировки электронов к спектрометру, аргоновое напыление в этом канале, применение предварительного спектрометра, электронной пушки и т.д.

Материал диссертации составляют результаты, полученные в 19852005 годах и опубликованные с следующих работах

1 В.М.Лобашев, П Е Спивак, В.И.Парфенов, Н.А.Голубев, О.В.Казаченко, А.А.Голубев, Б.М.Овчинников, Е.В Гераскин, А.М.Белесев,

А. П. Солодухин, И.В.Секачев, Н.А.Титов, Ю Э.Кузнецов. ИНТЕГРАЛЬНЫМ ЭЛЕКТРОСТАТИЧЕСКИЙ СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ЭНЕРГЕТИЧЕСКОГО СПЕКТРА р-ЧАСТИЦ Авторское свидетельство № 1707652 (1991), заявка №4418616(1988).

2. С.Н.Балашов, А. И. Белесев, А. И. Блейле, Е. В. Гераскин, А.А.Голубев, Н.А.Голубев О В.Казаченко, Б.М Овчинников, В.М.Лобашев, П Е.Спивак, В.И Парфенов. Спектрометр для измерения массы нейтрино.

Отчет ИЯИ АН СССР, (М., 1988). ВНТИЦ, per номер 01840069064, инв номер 167990.

3. С.Н.Балашов, А.И.Белесев, А.И. Блейле, Е.В.Гераскин, А.А.Голубев, Н.А.Голубев, В.В.Ишкин, О.В.Казаченко, Ю.Э Кузнецов, В М Лобашев, В.И Парфенов, Б.М Овчинников, И В.Секачев,

A.П Солодухин, П.Е.Спивак, Н.А.Титов, И.Е.Ярыкин Интегральный электростатический спектрометр электронов низкой энергии с магнитной адиабатической коллимацией для измерения массы покоя электронного антинейтрино. Препринт ИЯИ АН СССР, П-0617(М.,1989)

4. А.И Белесев, А.И Блейле, Е.В.Гераскин, А.А.Голубев, Н.А Голубев, О.В Казаченко, Ю.Э Кузнецов, В М Лобашев, Б.М.Овчинников, И В.Секачев, А.П Солодухин, А.И.Федосеев, В.И.Парфенов, И.Е.Ярыкин Сверхпроводящая система спектрометра для измерения массы покоя электронного антинейтрино. Препринт ИЯИ АН СССР, П-0615 (М.,1989)

5. S.N. Balashov, A.I.Belesev, A.I.BIeule, E.V.Geraskm, A.A.Golubev, N.A.Golubev, V.V. Ishkin, O.V. Kazachenko, Yu. E.Kuznetsov, V.M. Lobashev, V.I. Parfenov, B.M. Ovchinnikov, LP. Sekachev, A.P. Solodukhin, P.E. Spivak, N.A. Titov, I E.Yarykin. STATUS OF THE EXPERIMENT OF INR-KIAE ON ELECTRON ANTINEUTRINO REST MASS MEASURING In: Proceedings of WEIN (Montreal, 1989) 295-310

6. А.И.Белесев, А.И.Блейле, Е.В.Гераскин, А.А.Голубев,

H.А.Голубев, О.В.Казаченко, В М Лобашев, Б.М.Овчинников, И.Е.Ярыкин, КРИОГЕННАЯ СИСТЕМА ДЛЯ ЭКСПЕРИМЕНТА ПО ИЗМЕРЕНИЮ МАССЫ ЭЛЕКТРОННОГОАНТИНЕЙТРИНО. Препринт ИЯИ АН СССР, П-0614 (М.,1988)

7. S N. Balashov, A.I Belesev, A I.Bleule, E.V.Geraskin, A A.GoIubev, N A.GoIubev, O.V. Kazachenko, Yu. E Kuznetsov, V M Lobashev, V.I. Parfenov,

B.M. Ovchinnikov, LP. Sekachev, A.P. Solodukhm, P.E. Spivak, NA. Titov,

I.E.Yarykin, Yu.I. Zakharov, P.E. Spivak, FIRST RESULTS OF THE TROITSK EXPERIMENT ON THE SEARCH FOR ELECTRON ANTINEUTRINO REST MASS IN TRITIUM DECAY, Препринт ИЯИ АН СССР, П-0862 (М„ 1994)

8. A I.Belesev, A.I.BIeule, Е V.Geraskin, A.A.Golubev, N A.GoIubev, O.V. Kazachenko, E P.Kiev, Yu. E Kuznetsov, V M.Lobashev, B.M. Ovchinnikov, V.I. Parfenov, I.P. Sekachev, A P. Solodukhin, N.A. Titov, I.E. Yarykin, Yu. I. Zakharov, PE.Spivak, S.N. Balashov. RESULTS OF THE TROITSK

EXPERIMENT ON THE SEARCH FOR THE ELECTRON ANTINEUTRINO REST MASS IN TRITIUM BETA-DECAY. Phys.Lett.B350 (1995) 263-272.

9. V.M.Lobashev, A.I.Belesev, A.I. Berlev, E.V.Geraskin, A.A.Golubev, N.A.Golubev, O.V. Kazachenko, Yu. E.Kuznetsov, V.S. Pantuev, L.A. Rivkis, B.E. Stern, N.A. Titov, I.E.Yarykin, S.V. Zadorozhny, Yu. I. Zakharov. STATUS AND NEW RESULTS FROM THE EXPERIMENT 'TROITSK v-MASS" ON THE SEARCH FOR THE ELECTRON ANTINEUTRINO REST MASS IN TRITIUM BETA-DECAY.

In: Proceedings of International Conference "Neutrino 96". (Helsinki, Finland, June 13-19,1996). World Scientific (1996) 264-277.

10. V.M. Lobashev, A.I. Belesev, A.I. Berlev, E.V. Geraskin, A.A. Golubev, N.A. Golubev, O.V. Kazachenko, Yu.E. Kuznetsov, L.A. Rivkis, B.E. Stern, N.A. Titov, S.V. Zadorozhny, Yu.I. Zakharov. NEUTRINO REST MASS AND ANOMALY IN THE TRITIUM BETA SPECTRUM. Nucl.Phys.B66 (1998) 187-191.

11. V.M. Lobashev, V.N. Aseev, A.I. Belesev, A.I. Berlev, E.V. Geraskin,

A.A. Golubev, N.A. Golubev, O.V. Kazachenko, Yu.E. Kuznetsov, R.P. Ostroumov, L.A. Rivkis, B.E. Stern, N.A. Titov, S.V. Zadorozhny, Yu.I. Zakharov. NEUTRINO MASS AND ANOMALY IN THE TRITIUM BETA SPECTRUM. RESULTS OF "TROITSK v-MASS" EXPERIMENT. Nucl.Phys. B77(1999) 327-332

12. 11. V.N. Aseev, A.I. Belesev, A.I. Berlev, E.V. Geraskin, O.V. Kazachenko, Yu.E. Kuznetsov, V.M. Lobashev, R.P. Ostroumov, N.A. Titov, S.V. Zadorozhny, Yu.I. Zakharov, J. Bonn, B. Bornschein, L. Bornschein, M.Przyrembel, Ch. Weinheimer. ENERGY LOSS OF 18KEV ELECTRON IN GASEOUS T2 AND QUENCH CONDENSED D2 FILMS. The Europeian Physical Journal D 10 (2000) 39-52

13. А. И. Белесев, E. В Гераскин, Б JI. Жуйков, С. В. Задорожный, О.

B. Казаченко, В. М. Коханюк, Н. А. Лиховид, В. М. Лобашев, А. А. Нозик, В. В.Парфенов, А. К. Скасырская, Е. А. Судачков, Н. А. Титов, В. Г. Усанов. ИССЛЕДОВАНИЕ ЭФФЕКТОВ ОБЪЕМНОГО ЗАРЯДА В ГАЗООБРАЗНОМ ТРИТИИ КАК ИСТОЧНИКА ИСКАЖЕНИЯ В-СПЕКТРА В ЭКСПЕРИМЕНТЕ ПО ПОИСКУ МАССЫ НЕЙТРИНО "ТРОИЦК НЮ-МАСС", Ядерная физика Т. 71, №3 2008 г. 449-459

Ф-т 60x84/8 Уч-изд.л 1,28 Зак №21922 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.

1. Интегральный электростатический спектрометр с магнитной адиабатической коллимацией.

1.1. Общее описание. Принцип действия.

1.2. Функция пропускания электронов и определение массы нейтрино из спектра трития.

1.3. Конструкция спектрометра.

1.4. Магнитное поле.

1.4.1 Вычисление магнитного поля соленоидов спектрометра.

1.5. Система соленоидов Исполнение и испытания.

1.6. Гелиевые криостаты спектрометра.

2. Тритиевый молекулярный источник, как безоконный источник электронов.

2.1. Описание циркуляции трития.

2.2. Сверхпроводящие соленоиды.

2.3. Источник электропитания и защиты.

2.4. Гелиевые криостаты ТМИ.

2.5. Резервный гелиевый сосуд.

3. Криогенная система.

3.1. Ожижитель TCF20. Блок охлаждения.

3.2. Охлаждение теплообменников с помощью турбодетандеров.

3.3. Винтовой компрессор и система очистки гелия.

3.4. Встроеная автоочистка «Puriefer».

4. Охлаждение установки.

4.1. Гелиопровод.

4.2. Описание процесса захолаживания и поддержания рабочих температур и отогрева установки.

4.3. Контроль чистоты газа.

4.4. Измерение и контроль температур.НО

5. Физические результаты.'.Н

5.1. Установка, как гигантская ловушка Пенинга.

5.2. Измерение Р-спектра. Аномалия в спектре. Ограничение на массу нейтрино.

Одной из важнейших задач современной физики элементарных частиц являются исследования по физике нейтрино и, в частности, изучение возможности существования ненулевой массы нейтрино. История проблемы восходит к 1930 г., когда В. Паули впервые предположил существование новой частицы, названной нейтрино, для объяснения непрерывности [3-спектра при распаде ядер, а затем Э. Ферми в 1934 г. [1] создал теорию (3-распада, введя новую частицу нейтрино, которая образуется в результате превращения в ядре р—>-п и п—>р: п -> р + е~ + Vc р -> п + е+ + ve

Сегодня известно существование трёх типов нейтрино ve v^ vT, и их антинейтрино, отличающихся лептонами с которыми они связаны. Нейтрино участвуют в процессах превращения атомных ядер: (3-распаде, захвате электронов (К-захват), захвате мюонов, и распадах элементарных частиц: я- и К-мезонов, мюонов и др.

Экспериментально существование нейтрино было подтверждено в 1953 - 1956 гг. Ф. Райнесом и К. Коуэном [2] при обнаружении реакции обратного Р-распада: t?е+р->п + е+ (сечение реакции aVe = 9.4*10"44 см2) в потоке электронных антинейтрино образующихся в ядерном реакторе.

В последующие 50 лет было проведено огромное число экспериментов, исследующих взаимодействие нейтрино с веществом.

Нейтрино были включены в универсальную модель слабого взаимодействия Геллмана-Фейнмана, обобщенную теперь в Стандартную модель элементарных частиц.

В Стандартной модели элементарных частиц нейтрино предполагается безмассовым и сотни экспериментов по нескольким направлениям были предприняты с целью обнаружения эффектов связанных с массой нейтрино, как явления выходящего за рамки Стандартной модели. К ним относятся:

1. Поиск осцилляций нейтрино.

2. Поиск безнейтринного двойного {3-распада.

3. Наблюдение запаздывания нейтрино от вспышек сверхновых звёзд.

4. Прямое измерение массы нейтрино.

5. Исследование космологических следствий массивности нейтрино.

Возможность существования ненулевой массы покоя нейтрино является важнейшей проблемой не только физики элементарных частиц, но и космологии. Является ли нейтрино майорановской или дираковской частицей, и имеет ли массу, играет важную роль при построении таких современных теорий частиц, как Теория Великого объединения и Теории Суперсимметрии. В последнее время физика нейтрино приобрела ещё большую значимость в связи с наблюдением недостатка солнечных нейтрино, дефицита атмосферных vM, а также попыток создать космологические модели, включающие смешанную небарионную «тёмную» материю во Вселенной с привлечением конечной массы нейтрино. Также наличие массы у нейтрино может привлекаться к объяснению асимметрии между материей и антиматерией в ранней Вселенной.

В последние годы было сделано два ключевых открытия, существенно изменивших представления о физике нейтрино и его роли в природе: открытие осцилляций нейтрино [3] и наблюдение анизотропии реликтового излучения [4,5].

Нейтринные осцилляции были наблюдены в экспериментах с солнечными и атмосферными нейтрино на установках Суперкамиоканде [6], SAGE [7], GALEX [8] и SNO [9] и доказали, что нейтрино смешиваются и что они имеют ненулевую массу. По современным представлениям, нейтрино является суперпозицией трех массовых состояний, массы которых, по крайней мере, двух из них, не равны нулю.

Для описания нейтринных состояний вводится так называемая матрица смешивания U: ил ие2 и = и* и,3

UTX ит2 ит3 собственные состояния слабого взаимодействия описываются собственными состояниями для масс нейтрино Vi, v2, V3 в виде произведения:

УГ

Vм = (и). V2

S3,

Задачей осцилляционных экспериментов является определение элементов матрицы смешивания U и определение квадратов массы состояний Vi, V2, V3, К сожалению, осцилляционные эксперименты чувствительны только к разности квадратов масс нейтрино: и вопрос об абсолютной величине массы нейтринных состояний остаётся открытым.

Следует отметить, что знак Ат] может быть извлечен при учете эффекта Михеева - Смирнова усиления осцилляций солнечных нейтрино в веществе [10].

Таким образом, если одна масса нейтрино измеряется абсолютно, полный спектр масс нейтрино может быть вычислен с использованием величины Amfj, полученной из осцилляционных экспериментов.

Теории за рамками Стандартной модели пытаются объяснить малость массы нейтрино в сравнении с массивными заряженными фермионами. Одним популярным объяснением является "see-saw I" механизм [11], привлекающий тяжелые Майорановские нейтрино, приводит к иерархической картине нейтринной массы (рис. 1). Альтернативная "seesaw II" модель (механизм), использующая Хиггсовский триплет, приводит к сценарию с квази-вырожденными массами нейтрино. Здесь все массы равны 0.1 эВ/с" или выше, с незначительной разностью масс между разными типами нейтрино для объяснения осцилляций. В пользу последнего сценария может свидетельствовать почти максимальное смешивание, наблюдаемое в процессе осцилляций.

101i Q)

10"1:

Am

23 atmos дт12 V solar

LMA

10"

10""

------- —| 1 Г 1111]—I— i 1 1 1 1 11 j < i i 1 l I i 11 Mainz & Troitsk 1 — 1-----1—1 1 1 !'TT|-----\ '

J KATRIN J \ : тз 55 meV) quasi-degenerate 1 т2 (~ 8 meV) v-masses : т hierarchical v-masses i—I—I 111111-1—i—i 111111-1—i—i 111111-1—i—i 111111-1—i—i 11 и

10

-4

10

-3

10 10" m,, [eV]

10

101

Рисунок 1. Иерархический (прямая иерархия) и квази-вырожденный сценарии распределения величин массовых состояний нейтрино исходя из данных осцилляционных экспериментов. Наложены существующие и предполагаемые ограничения на массы из экспериментов по (3-распаду трития.

В кинематических экспериментах, к которым относится и исследование конца (3-спектра трития, форма спектра определяется «эффективной» массой нейтрино, которая даётся формулой [12]:^

3 2 m2(ve) = £ |ив<| •mfiv,) (1)

Существующие и планируемые эксперименты чувствительны только к квази-вырожденному сценарию, в котором все массы равны, и с этой оговоркой по-прежнему можно говорить о массе электронного, мюонного или х- нейтрино.

В квази-вырожденном сценарии, вследствие большого количества реликтовых нейтрино во Вселенной исходящего из Большого взрыва, нейтрино будут выступать не главным, но значительным компонентом «горячей темной материи» [13]. Поэтому открытый вопрос о величине массы нейтрино является не только критическим для физики частиц, но и очень важен для астрофизики и космологии.

В космологии данные об абсолютном масштабе для масс нейтрино могут быть получены из астрофизических наблюдений распределения вещества и энергии во Вселенной для различных масштабов. Обычно в этих анализах используют комбинации данных о микроволновом реликтовом излучении (например, результатов от спутника WMAP [14]), распределении галактик в нашей Вселенной (так называемая «Large Scale Structure» [15]) , форме распределений так называемого «Lyman a-Forest» [16] или Х-гау кластеров, чтобы описать распределение материи на крупных, средних и малых масштабах. Считается достоверным вывод о несовместимости большой массы нейтрино с наблюдаемой крупномасштабной структурой Вселенной. В большинстве случаев они дают верхние пределы на массу Л нейтрино масштаба нескольких ОД эВ/с . В некоторых случаях анализ даёт ненулевые массы нейтрино, но по мере уточнения данных наблюдается тенденция к снижению предела ниже ОД эВ/с .

Нельзя забывать, что космологические модели описывают 95% материи и энергии во Вселенной пользуясь такими до конца неопределёнными понятиями как «космологическая константа» и холодная тёмная материя», и предполагают существование ещё не обнаруженных реликтовых нейтрино.

Одним из немногих лабораторных методов обнаружения массы нейтрино является поиск безнейтринного двойного p-распада (0v2|3). Процесс заключается в превращении двух нейтронов (протонов) в два протона (нейтрона) внутри ядра. Обычно испускаются два электрона (позитрона) и два нейтрино (антинейтрино) и спектр испускаемых электронов представляется сплошным [17]. В случае же, если нейтрино является Майорановской частицей (частица является собственной античастицей), распад (0v2P) может произойти и без испускания каких-либо нейтрино. Этот переход прямо пропорционален массе нейтрино (при отсутствии правых токов или обмена другими новыми частицами).

Наблюдаемой величиной в двойном Р-распаде является так называемая эффективная масса нейтрино [12]: !KemM> (2) которая является когерентной суммой по всем собственным состояниям масс m(Vj), дающих вклад в электронное нейтрино с весами элементов комплексной матрицы смешивания Uei. Сравнивая выражения (1) и (2) можно отметить, что безнейтринный двойной Р-распад и исследование р-спектра трития как бы дополняют друг друга. Для случая двойного р~ распада комплексные фазы для майорановской матрицы смешивания U могут приводить к частичному сокращению. Также еще велики неопределённости ядерных матричных элементов и возможности для проявления правых токов или новой экзотической частицы. Все эти факторы могут модифицировать амплитуду безнейтринного двойного р-распада и привести к неточности в определении массы нейтрино. С другой стороны, в будущем, при повышении чувствительности последующих измерений двойного p-распада и обнаружении эффекта на нескольких ядрах эти неопределенности могут быть существенно снижены. Учитывая это, а также уникальную возможность доказать Майорановскую природу нейтрино, исследование безнейтринных двойных (3-распадов сохраняет высокую значимость.

Наиболее чувствительным экспериментом по двойному Р-распаду на настоящее время является эксперимент Гайдельберг-Москва [18] в подземной лаборатории Гранд - Сассо, (ЦСе-^ЦЗе + 2~е + 2vc распад), использовавший пять низкофоновых обогащенных (86%ЦОе) германиевых детекторов высокого разрешения. Часть этой группы исследователей заявила об обнаружении безнейтринного двойного p-распада и представила данные о наблюдении моноэнергетической Р-линии с предсказанным положением на уровне достоверности 4 а. С учетом неопределённого ядерного матричного элемента это соответствует массе нейтрино в интервале:

ОД эВ/с2 < тее < 0,9 эВ/с2.

Ясно, что этот результат требует дальнейших проверок и независимого подтверждения. Соответствующие эксперименты подготавливаются несколькими группами. В ближайшее время ожидается получение предела на массу по 0v2p на уровне 0,1 эВ/с .

Прямое измерение массы нейтрино

В противоположность другим методам прямой метод измерения массы нейтрино не требует никаких предположений и масса нейтрино определяется с использованием релятивистских соотношений энергия — импульс. Поэтому т2 (у) получается просто наблюдаемой величиной.

Стандартная модель взрыва сверхновых звёзд утверждает, что ядро звезды в результате коллапса достигает ядерных плотностей и прирост

53 энергии гравитационного взаимодействия должен составлять 10 эрг, а наблюдаемая кинетическая энергия материи и электромагнитного излучения составляет 1051 эрг. Почти вся оставшаяся энергия приходится на испущенные нейтрино. После взрыва сверхновой SN1987 события, зарегистрированные Камиоканде II и Mt. Blanc LSD [19], дали верхний предел на массу нейтрино 5,7 эВ/с". К сожалению, такие взрывы слишком редки и непонятны перспективы дальнейшего улучшения результата.

Основной прямой метод измерения массы нейтрино основывается на исследовании кинематики слабых распадов, на измерении параметров заряженных продуктов распада частиц. Данный подход, известный как кинематический, обеспечивает модельно независимые результаты исследования и прямой метод определения массы. Для масс нейтрино v^ и vT это измерение распадов пиона на мюон и v^ и распад т-лептона на пять пионов и vT. Получены следующие верхние пределы [20]: m(vр) < 190 кэВ для распада п -» /лу^ m(vx)< 15,5 МэВ для распада г" -» Зя-- + 2к+ + vT

Оба предела, как видно, намного больше диапазона значений, представляющего интерес для физики частиц и космологии. Поэтому, в настоящее время, основным объектом исследования по массе нейтрино является ядерный (3-распад, конкретно трития: 3Я->3Яе + e + vc , где достигнут лучший на сегодня результат, равный mVt < 2,05 эВ [21].

Решение задачи заключается в прецизионном измерении спектра электронов Р-распада трития вблизи граничной точки Eq, когда почти вся энергия распада передаётся электрону. Поэтому масса электронного нейтрино определяется точным исследованием формы кривой вблизи Eq (рис. 2). Из рисунка 2 видно, что главное требование для такого эксперимента является справиться с исчезающее малым счётом вблизи Е0, обеспечив максимальную скорость счёта при возможно низком фоне. Кроме этого, требуется высокое энергетическое разрешение ЛЕ/Е, для того чтобы получить хорошее разрешение по массе нейтрино.

Тритий является стандартным и доступным изотопом для такого исследования. Он имеет высокую удельную активность (-0,3 кюри/мл), малую граничную энергию 18,6 кэВ и период полураспада 12,26 г. Тритий отличается простотой электронной структуры и поэтому поправки к (3-спектру можно рассчитать с высокой точностью.

Эксперименты по изучению Р-распада трития выполнялись в течение последних 50 лет.

Можно отметить, что вторым изотопом, удобным для изучения массы нейтрино является 187Re, имеющий граничную энергию Е0 ~ 2,6 кэВ, но большой период полураспада ~4-Ю10лет, т.е. низкую удельную активность.

1 К*7

Для исследований с Re в Милане (MiBeta) и в Генуе (MUNU2) предложено использовать новый метод регистрирования - криоболометры, позволяющие измерять увеличение температуры вследствие одиночного акта распада в образце, охлажденном до ~ 50 мК. К недостаткам такого подхода относится необходимость измерять весь спектр от 0 до 2,6 кэВ целиком. В качестве образца используют AgRe04 и металлический рений, при этом разрешение криоболометров ЛЕ достигает 5 эВ. В настоящее время в экспериментах с 187Re получено ограничение на массу нейтрино m(ve) < 15 эВ/с2

Временное разрешение криоболометрических детекторов лежит в миллисекундном диапазоне и для улучшения статистической точности предполагается использование большого числа (~36 ООО) независимых криоболометрических детекторов, что позволит, как утверждают авторы, получить предел на массу нейтрино несколько эВ/с . Конечно, это представляется довольно сложной технической задачей.

Как отмечалось, наилучшую чувствительность по изучению массы электронного нейтрино можно получить при исследовании электронного спектра из Р-распада трития: 3Н->3Не+ + е~ +ге.

При измерении Р-спектра, в принципе, для каждого состояния масс нейтрино m(vj), будет наблюдаться загиб кривой в близи точки Eq - m(Vj)c , показанный на рис.2, причем каждый будет пропорционален матричному элементу смешивания . Однако, из-за малости наблюдаемой при осцилляциях разности квадратов масс нейтрино Am2 в сравнении с ограниченным разрешением установок для существующих и планируемых прямых измерений массы, только некогерентная или средняя масса нейтрино может быть обнаружена. Она может быть определена как электронная масса нейтрино m(ve) выражением [12]:

П\К) = Ж/ ' = -Ж'2 i i

В нашем случае, как видно на рис.1, ml = т2 = тЗ >2 эВ и Xl^j2 =

Энергетический спектр p-распада трития для нейтрино с массой mv даётся выражением: С • F(z,E)p(E + тес2)[(Е0 - Еf - m2vf2e{EQ -E-mv) dE где E — кинетическая энергия электрона, те — его масса, р — его импульс;

Е0 - граничная энергия, максимальная энергия электрона при mv = 0;

F(z,E) -функция Ферми, учитывающая кулоновское взаимодействие для испускаемых электронов; в(Ео — Е- mv) — ступенчатая функция, равна 1 при Ео - Е- mv > 0;

G2 ,2

С = —^cos2 в\М\ - константа; 2яг3 с| 1

Gp — постоянная слабого взаимодействия; вс - угол Кабиббо;

М— ядерный матричный элемент.

Так как переход сверхразрешенный, то как М, так и F(z,E) независимы от mv, и зависимость для кривой Р-спектра выражается только через фактор фазового пространства. Можно добавить, что масса нейтрино, полученная из p-распада трития никак не связана с предположением, является ли нейтрино Майорановской или Дираковской частицей.

Характерный вид [3-спектра с тч = 1 эВ и mv = 0 эВ показан на рис.2. Можно показать, что статистически наиболее значимое отличие спектров проявляется только вблизи Е =Е0, где скорость счета Р-спектра сравнима с фоном. Эта часть спектра характеризуется быстро снижающейся скоростью счёта при приближении к Е0, точнее, скорость счета пропорциональна квадрату расстояния до края спектра, а ненулевой массе нейтрино соответствует постоянный сдвиг:

1.2 1 i—i

6 0.8 ф о 0-6

§0.4 о о

0.2 0

Рисунок.2. Спектр электронов Р-распада трития (а). Форма спектра в близи граничной точки (Ь) для массы нейтрино mv = 0 эВ и mv = 1 эВ. Штриховкой показана относительная доля измерений спектра при наличии у нейтрино массы. 100 к Ь) \ч п\. = 0 ©V

2х1(Г13

- mv = 1 eV-^ i i i i. i i i i i i i i i i i i i

5 10 energy Е IkeVJ

-2

- 1 Е-Ео feV] О

Поэтому в эксперименте лишь очень узкая часть спектра анализируется с высокой точностью.

Можно отметить, что интегральная часть спектра в этой узкой области пропорциональна (Ео~Е)3. Отметим, что доля спектра ниже Е0 для

1 "Я mv = 1 эВ составляет от полного (3-спектра трития только 2-10" интенсивности, а для {3-распадов других ядер (кроме 187Re) ещё меньше. В связи с этим исследование [3-спектра трития должны выполняться [3-спектрометром, который должен иметь высокое энергетическое разрешение ЛЕ/Е, высокую скорость счета (светимостью L) и низкий собственный фон вблизи Ео = 18,6 кэВ.

Для изучения спектра трития вблизи граничной энергии очень важно знать, во-первых, функцию разрешения (пропускания) спектрометра и, во-вторых, систематику потерь энергии электронами в источнике. Систематические ошибки возникают как в самом источнике электронов распада трития из-за потери энергии электронов при прохождении через толщину вещества источника, а также из-за рассеяния электронов в подложке, если это твердый источник намороженного трития или имплантированный в подложку тритий. Кроме этого, систематические ошибки возникают из-за загрязнения источника электронов сторонними газами или примесями в тритии (Н2, НТ и т.д.), так и в |3-спектрометре, где требуется высокая точность установки потенциала анализатора (-0,1 -0,2 В), отсутствие загрязнений трития на поверхности электрода.

Как упоминалось выше, исследования по изучению распада трития с целью обнаружения массы нейтрино продолжались более 50 лет. На рис. 3 и в таблице 1 даётся некоторая хронология ранних исследований и полученных результатов, а в таблице 2 приводятся результаты последних лет по измерению массы нейтрино, с указанием используемых источников электронов. Легко видеть, что наилучший результат при обработке экспериментальных результатов измерений [3-спектра можно получить

25 О

-25

5 -50 си

75 Е -100

125 150 175 mi electrostatic spectrometers inetic spectrometers

11 i.i

BEUSNv

T LiVcSUORE

A LOS ALAMOS

Ш MAIWZ

TOKYO

О TRQtTSK

TROITSK step (en a zuraoi

1990 1992 1994 1996 1998 2000 year

Рисунок 3. Хронология экспериментов по поиску массы нейтрино используя газовый молекулярный источник трития с плотностью 1015 -1017см"2. Такие источники, как видно из таблицы 2 (стр. 22), использовались в экспериментах в Лос-Аламосе [24], Ливерморе [29] и ИЯИ РАН г. Троицк [36, 37], где ограничение по массе выглядит более достоверно, поскольку тритий не имеет связи с подложкой.

Из других предыдущих экспериментальных исследований можно отметить ранние результаты, полученные с помощью фокусирующих спектрометров. В частности, Берквисту в 1972 году (таблица 1, стр. 21) удалось существенно понизить предел на массу покоя нейтрино по сравнению с ранее существовавшими результатами: mv <55±60 эВ с уровнем достоверности 90%. Поскольку в магнитном спектрометре энергетическое разрешение АЕ и светимость L связаны соотношением АЕ/Е ~ L'2, то для улучшения энергетического разрешения необходимо уменьшить как площадь источника, так и апертуру прибора, т.е. светимость L, определяемую следующим соотношением: SO. Sm2 0 ^

L = — =-, где S — площадь источника, а — угловая апертура, L2

An 4лтелесный угол.

Берквисту, однако, удалось повысить светимость при достаточно хорошем энергетическом разрешении (—55 эВ) за счёт распределённого потенциала на поверхности источника (неэквипотенциальный источник), а также за счёт замедления электронов перед входом в магнитный спектрометр [23].

Следующим этапом исследований (3-распада трития была публикация Ю. Любимова и др. в 1980 г. [26, 27]. Исследования проводились на (3 — спектрометре с тороидальным магнитным полем, в котором электроны отклонялись на угол 720°, совершая два оборота. Источником электронов служил валин C5HnN02, в котором часть водорода замещалась тритием (18%). Источник представлял собой плёнку толщиной 2 мкг/см . Для увеличения светимости спектрометра использовался метод неэквипотенциального источника, как и в известном эксперименте К. Берквиста. Светимость составляла 0,07 см" и ограничивались только размерами фокальной области спектрометра. Авторы давали величину массы нейтрино в интервале 14 эВ < mv <46 эВ исходя из подгонки спектра параметром, равным mv = 900±150. Однако, результаты обработки данных вызывали большие сомнения из-за некорректности в учёте конечных состояний трития в валине и ненадёжные измерения формы функции разрешения спектрометра.

После появления результатов Ю. Любимова и др. в 1980 г. начался новый этап исследований спектра трития, связанный с использованием в качестве источника электронов молекулярного трития или намороженного в виде монослоёв Тг - газа, но уже с использованием не только магнитных но и интегральных электростатических спектрометров.

В таблице 2 представлены основные исследовательские группы и используемые ими спектрометры с указанием их характеристик и полученных результатов. Как видно из таблицы только три группы (Лос-Аламос, Ливермор и Троицк) используют качественно новый источник Тг газ, что имеет большое преимущество по сравнению с другими исследовательскими группами, использующими связанный в каком-либо веществе тритий.

Впервые газообразный источник трития был предложен и реализован в Лос-Аламоском эксперименте в 1980 году [24], где в качестве спектрометра использовался тороидальный спектрометр Третьяковского типа [28]. Спектрометр имел разрешение ЛЕ = 23 эВ. Авторы давали результат по массе нейтрино равный mv < 9.3 эВ с 95% уровнем достоверности, mv2 = -148±68±41.

Развитием разработанного в Лос-Аламосе эксперимента стала установка, созданная в дальнейшем в Ливерморе [29]. Эта установка состояла из магнитного спектрометра тороидального (типа Третьякова) с газовым молекулярным тритиевым источником. Спектрометр имел разрешение ЛЕ = 18 эВ и светимость L = 3 мм2, а также очень низкий фон детектора 4 события в сутки при Е = 23 кэВ. Авторы определили массу

2 2 нейтрино из формы спектра трития в виде: mv< 8 эВ, a mv = -72±41+30 эВ .

Из указанных в таблице 2 экспериментов следует отметить Токийскую установку [30] с безжелезным магнитным спектрометром типа с двойной фокусировкой, имеющим разрешение ЛЕ =16 эВ. В качестве источника электронов использовалась тритированная кислота (С20Н40О2) в виде мономолекулярного слоя. Установка имела хорошую функцию разрешения и давала ограничение на массу нейтрино величиной: mv < 13 эВ, mv 2 = -65±85±65 эВ2.

Можно отметить эксперимент в Цюрихе (Швейцария) [31], где для исследования спектра трития использовался магнитный спектрометр треьяковского типа с тороидальным магнитным полем, а в качестве источника электронов использовался тритий, имплантированный в углеродную плёнку. Активность источника была 0,3 мккюри/см , толщина источника 2 мг/см . Авторами был установлен предел на массу нейтрино: mv < 11 эВ, mv 2 = -24±48±61 эВ2.

Из вышеизложенного видно, что полученные во всех экспериментах результаты для квадрата массы нейтрино имеют отрицательное значение, что является нефизическим, и это обстоятельство указывает на либо неучтённые систематические ошибки, либо на ошибки, возникшие при обработке результатов.

Приведённые в таблице 2 результаты по определению массы нейтрино показывают, что на сегодня наилучший и достоверный результат получен в ИЯИ РАН на интегральном спектрометре. Это новый тип спектрометра, отличный от используемых ранее. Он был предложен В.М. Лобашевым и П.Е. Спиваком в 1982 г. [32, 33], затем численно обоснован в 1984-85 гг. для конкретных электрических и магнитных полей и получил далее название «интегральный электростатический спектрометр с магнитной адиабатической коллимацией» [34, 35].

Сооружение нового типа спектрометра началось в ИЯИ в г. Троицке в 1985 г. Важно отметить приоритетное право, что именно в 1985 г. году авторами (Лобашев В.М. и др.) были опубликованы в журналах «Nuclear Instruments and Methods» а также в «Physical Research» две статьи [34, 35], где впервые излагались и способы создания нового типа спектрометра и численное моделирование электростатического интегрального спектрометра низких энергий с магнитной адиабатической коллимацией.

Почти одновременно с сооружением спектрометра началось создание источника трития на основе циркуляции газообразного молекулярного трития и сооружение гелиевого рефрижератора для питания сверхпроводящих соленоидов, создающих магнитные поля (0,8 - 8 Тл) в спектрометре и газовом молекулярном источнике. С начала 1988 г. на установке «Троицк ню-масс», включающей в себя три крупные части: новый тип спектрометра, молекулярный источник трития и гелиевый рефрижератор, можно было начинать регулярные сеансы измерений на конце бета-спектра по поиску ненулевой массы нейтрино.

Отметим некоторые важные особенности Троицкого эксперимента по сравнению с ранее существующими установками:

1) Высокое энергетическое разрешение нового типа спектрометра АЕ = 2,7-М- эВ, и высокая стабильность функции разрешения.

2) Использование газового молекулярного источника трития высокой стабильности по плотности. Плотность может варьироваться в широком пределе 1013 -^5-1014 мол/см3. Энергетические потери в источнике можно точно вычислить и экспериментально проверить. В твердом источнике это сделать невозможно. Конечные состояния спектра молекул трития хорошо посчитаны несколькими независимыми группами.

3) Использование ртутных насосов для организации петли молекулярной прокачки трития исключает загрязнение источника трития ввиду того, что ртуть практически не взаимодействует с металлами и газами.

4) Использование перехвата молекул Тг для исключения их попадания в

17 18 объём спектрометра на уровне 10" -И0" за счет использования исключающей прямой пролёт «магнитной змейки» и аргонового напыления для транспортного канала источника.

5) Использование крионасоса в спектрометре производительностью 20000^-30000 л/сек, который позволяет легко получить вакуум на уровне 4-Ю"10мбар. и хорошо откачивает все газы в спектрометре, в том числе водород.

6) И, наконец, компактность установки за счет использования сверхпроводящих соленоидов, стабильность молекулярного источника, стабильность вакуума во время проведения длительных сеансов измерений бета-спектра.

7) В течение 1993-^-2005 гг. на установке было проведено 25 сеансов измерений, каждый длительностью от двух до четырех недель.

Таблица 1. Хронология ранних измерений распада трития

Эксперимент (год) Метод детектирования Е0, кэВ mv, эВ

Курран, 1948 Пропорциональный счетчик 18,3±0,3 < 1000

Понтекорво, 1949 Пропорциональный счетчик 18,9

Гамильтон, 1952 Электростатический спектрометр 19,4+0,4 <250

Лангер, 1952 Магнитный спектрометр 17,95±0,10 <250

Портер, 1952 Магнитный спектрометр 18,61±0,10

САЛГО, Стауб, 1969 Электростатический спектрометр 18,7±0,10 <200

Дорис, 1969 Магнитный спектрометр 18,57+0,75 <75

Берквист, 1972 Магнитный спектрометр 18,61+0,016 <55

Таблица 2. Сравнительные результаты измерений массы нейтрино последних лет.

Экспери- Методика Тип Источник Разре- Фон Свети Результат (эВ.) мент спектрометра электронов шение АЕ (эВ.) -мость (см2)

ИТЭФ, Тороидальный Валин - Т 20 0.03 - 0,025 17<mv<40

26, 27] магнит 0.1

1980

Лос- Тороидальный Тг - газ 23 10~2 - 0,023 mv2 = -72±41±30

Аламос магнитный 5 10"3 mv<8

241 1991

Токио [30] 1991 я л/2 магнит Кислота С20Н40О2 16 10"J 0,02 mv2 = -65±85±65 mv<13

Ливермор Тороидальный Т2 - газ 18 5 10° -0,03 mv2 = -72±41±30

29] 1992 магнитный mv<l 1

Цюрих Тороидальный Т2 импл. в - 10'2 0,7 mv2 = -24±48±61

31] 1992 магнитный углеродную плёнку mv<8

ИЯИ Интегральный Т2 - газ 3 5 10"J 0,3 mv 2 = -2,3±2,5±2,0

Москва электростати- mv<2,05

36, 37] 2003 ческий

Майнц Интегральный Тг наморо- 3-5 10"J 0,15 mv2 = -1,6±2,5±2,1

38, 39] 1994 электростатичес кий женный на медь mv<2,2

Целью и задачей данной диссертации явилась разработка в ИЯИ РАН нового метода прямого измерения Р-спектра трития вблизи его граничной энергии с целью изучения массы электронного антинейтрино с помощью интегрального электростатического Р-спектрометра с магнитной адиабатической коллимацией и создание в течение 1985 — 1990 гг. на его основе установки «Троицк ню-масс», где в качестве источника электронов используется газовый молекулярный источник трития. В 1990 - 2005 гг. на ней было проведено 25 сеансов измерений. Методика измерения впервые была предложена В.М. Лобашевым и П.Е. Спиваком в 1982г.

Работа состоит из пяти глав. В первой главе дано подробное описание интегрального электростатического спектрометра с магнитной адиабатической коллимацией. Во второй главе подробно описывается тритиевый молекулярный источник электронов. В третьей главе описывается криогенная система на основе ожижителя TCF-20, предназначенная для охлаждения 19 соленоидов установки «Троицк ню-масс». В четвертой главе описывается процесс захолаживания и поддержание рабочих температур установки и систем контроля при измерениях спектра трития. В пятой главе приводится физическое описание установки как гигантской ловушки Пеннинга, и дается описание процесса измерения Р-спектра трития. В заключении приводятся основные результаты и выводы.

Научная новизна и практическая ценность работы состоит в том, что:

1) Создана установка «Троицк ню-масс» нового типа для измерения массы нейтрино на основе прямого изучения Р-спектра трития, имеющая более высокие параметры (разрешение ЛЕ = 3,4 эВ, фон 10 мГц, плотность источника электронов 1014 - 1015 см"3) по сравнению с ранее созданными установками для этих целей.

2) Установка «Троицк ню-масс» представляется компактной и надёжной, что стало возможным благодаря использованию сверхпроводящих соленоидов, в количестве 19 единиц, создающих сильные магнитные поля от 0,8 Тл до 5 Тл в молекулярном источнике и до 8 Тл в Р-спектрометре. Таюке она является компактной благодаря использованию для охлаждения сверхпроводящих соленоидов двухфазной парожидкостной смеси гелия, последовательно протекающей по всем 12 криостатам установки от ожижителя TCF-20, модернизированного для рефрижераторного охлаждения установки «Троицк ню-масс».

3) Особенностью используемой в установке «Троицк ню-масс» криогенной системы является последовательно ломанная линия 4,5 К криостатов и соответственно сверхпроводящих соленоидов газового молекулярного источника трития, что позволило избежать попадания молекул трития в спектрометр и тем самым снизить измерительный фон, а также обеспечить соединение криостатов холодными гелиевыми частями.

4) Существенное снижение измерительного фона на установке «Троицк ню-масс» обеспечивалось использованием 4,5 К поверхностей гелиевых криостатов внутри вакуумного кожуха Р - спектрометра, где требуемый вакуум должен быть лучше чем Ю"10 мбар. Внесение холодных криостатов внутрь объёма позволило повысить откачку Р - спектрометра до уровня — 20 ООО л/сек и обеспечить необходимый вакуум.

5) Проведённые измерения р - спектра трития вблизи его граничной энергии позволили получить лучшее на сегодняшний день ограничение на массу нейтрино: т(уе) < 2,05эВ/с2 (95% C.L.) а также впервые позволили провести измерения по изучению объёмного заряда в молекулярном источнике трития с помощью измерения уширения конверсионной линии чистого 83mKr в смеси 83mKr+T2.

Опытные данные, полученные в ходе длительных исследований на установке «Троицк ню-масс», найдут практическое применение как при дальнейшей модернизации существующей установки, где предусматривается повысить энергетическое разрешение до АЕ< 1 эВ, так и при постройке новой установки «КАТРИН» [40], строящейся в Карлсруэ (Германия)

Результаты

Предложен новый тип электростатического спектрометра (авторское свидетельство №1707652 (1991), заявка № 4418616 (1988)) Изготовлен новый тип спектрометра, превосходящий по параметрам все имеющиеся аналоги.

Изготовлен ТМИ - безоконный источник электронов на основе циркуляции молекулярного трития.

Разработана и изготовлена сверхпроводящая магнитная система для установки «Троицк ню-масс», состоящая из девятнадцати соленоидов и двеннадцати криостатов, имеющих суммарную охлаждаемую массу ~ 800 кг.

Разработана и изготовлена криогенная система установки «Троицк ню-масс», отличительной особенностью которой явилось последовательно ломаная линия криостатов тритиевого источника, что позволило избежать перерассеяния молекул, и обеспечение соединения криостатов холодными гелиевыми частями.

Изготовлена система снабжения жидким гелием криостатов установки «Троицк ню-масс» с использованием парожидкостной гелиевой смеси от рефрижератора фирмы «Zulzer» типа TCF20, модифицированного под условия эксперимента.

Разработан и успешно используется для обеспечения установки жидким гелием гелиопровод с азотным экранированием, протяженностью около 40 метров.

Разработан и успешно используется криогенный комплекс установки, вюочающий в себя ожижитель гелия TCF20, систему сбора и хранения гелия и жидкого азота, систему очистки гелия от примесей.

Выполнено прецизионное измерение (3-спектра трития вблизи граничной энергии и получено ограничение для массы электронного антинейтрино mv < 2,05эВ.

Выполнены в двух сеансах измерения для уширения L3 (30477±3,0 эВ) конверсионных электронов Кг для чистого криптона и смеси криптона и трития и показано отсутствие существенного разброса электрического потенциала газового источника на установке «Троицк ню-масс» вследствие возможного накопления объемного заряда.

Основной материал диссертации составляют результаты, полученные в 1985-2005 годах и опубликованные с следующих работах:

1. В.М.Лобашев, П.Е.Спивак, В.И.Парфенов, Н.А.Голубев, О.В.Казаченко, А.А.Голубев, Б.М.Овчинников, Е.В.Гераскин, А.М.Белесев, А.П.Солодухин, И.В.Секачев, Н.А.Титов, Ю.Э.Кузнецов. ИНТЕГРАЛЬНЫЙ ЭЛЕКТРОСТАТИЧЕСКИЙ СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ЭНЕРГЕТИЧЕСКОГО СПЕКТРА р-ЧАСТИЦ. Авторское свидетельство № 1707652 (1991), заявка № 4418616 (1988).

2. С.Н.Балашов, А. И. Белесев, А. И. Блейле, Е. В. Гераскин, А.А.Голубев, Н.А.Голубев О.В.Казаченко, Б.М.Овчинников, В.М.Лобашев, П.Е.Спивак, В.И.Парфенов. Спектрометр для измерения массы нейтрино.

Отчёт ИЯИ АН СССР, (М., 1988). ВНТИЦ, per. номер 01840069064, инв. номер 167990.

3. С.Н.Балашов, А.И.Белесев, А.И.Блейле, Е.В.Гераскин,

A.А.Голубев, Н.А.Голубев, В.В.Ишкин, О.В.Казаченко, Ю.Э.Кузнецов,

B.М.Лобашев, В.И.Парфенов, Б.М.Овчинников, И.В.Секачев,

A.П.Солодухин, П.Е.Спивак, Н.А.Титов, И.Е.Ярыкин. Интегральный электростатический спектрометр электронов низкой энергии с магнитной адиабатической коллимацией для измерения массы покоя электронного антинейтрино. Препринт ИЯИ АН СССР, П-0617(М.,1989).

4. А.И.Белесев, А.И.Блейле, Е.В.Гераскин, А.А.Голубев, Н.А.Голубев, О.В.Казаченко, Ю.Э.Кузнецов, В.М.Лобашев, Б.М.Овчинников, И.В.Секачев, А.П.Солодухин, А.И.Федосеев,

B.И.Парфенов, И.Е.Ярыкин. Сверхпроводящая система спектрометра для измерения массы покоя электронного антинейтрино. Препринт ИЯИ АН СССР, П-0615 (М.,1989).

5. S.N. Balashov, A.I.Belesev, A.I.Bleule, E.V.Geraskin, A.A.Golubev, N.A.Golubev, V.V. Ishkin, O.V. Kazachenko, Yu. E.Kuznetsov, V.M. Lobashev, V.I. Parfenov, B.M. Ovchinnikov, I.P. Sekachev, A.P. Solodukhin, P.E. Spivak,

N.A. Titov, I.E.Yarykin. STATUS OF THE EXPERIMENT OF INR-KIAE ON ELECTRON ANTINEUTRINO REST MASS MEASURING. In: Proceedings of WEIN (Montreal, 1989) 295-310.

6. А.И.Белесев, А.И.Блейле, Е.В.Гераскин, А.А.Голубев, Н.А.Голубев, О.В.Казаченко, В.М.Лобашев, Б.М.Овчинников, И.Е.Ярыкин, КРИОГЕННАЯ СИСТЕМА ДЛЯ ЭКСПЕРИМЕНТА ПО ИЗМЕРЕНИЮ МАССЫ ЭЛЕКТРОННОГОАНТИНЕЙТРИНО. Препринт ИЯИ АН СССР, П-0614 (М.,1988).

7. S.N. Balashov, A.I.Belesev, A.I.Bleule, E.V.Geraskin, A.A.Golubev, N.A.Golubev, O.V. Kazachenko, Yu. E.Kuznetsov, V.M. Lobashev, V.I. Parfenov, B.M. Ovchinnikov, I.P. Sekachev, A.P. Solodukhin, P.E. Spivak, N.A. Titov, I.E.Yarykin, Yu.I. Zakharov, P.E. Spivak, FIRST RESULTS OF THE TROITSK EXPERIMENT ON THE SEARCH FOR ELECTRON ANTINEUTRINO REST MASS IN TRITIUM DECAY, Препринт ИЯИ АН СССР, П-0862(М., 1994)

8. A.I.Belesev, A.I.Bleule, E.V.Geraskin, A.A.Golubev, N.A.Golubev, O.V. Kazachenko, E.P.Kiev, Yu. E.Kuznetsov, V.M.Lobashev, B.M. Ovchinnikov, V.I. Parfenov, LP. Sekachev, A.P. Solodukhin, N.A. Titov, I.E. Yarykin, Yu. I. Zakharov, P.E.Spivak, S.N. Balashov. RESULTS OF THE TROITSK EXPERIMENT ON THE SEARCH FOR THE ELECTRON ANTINEUTRINO REST MASS IN TRITIUM BETA-DECAY. Phys.Lett.B350 (1995) 263-272.

9. V.M.Lobashev, A.I.Belesev, A.I. Berlev, E.V.Geraskin, A.A.Golubev, N.A.Golubev, O.V. Kazachenko, Yu. E.Kuznetsov, V.S. Pantuev, L.A. Rivkis, B.E. Stern, N.A. Titov, I.E.Yarykin , S.V. Zadorozhny, Yu. I. Zakharov. STATUS AND NEW RESULTS FROM THE EXPERIMENT "TROITSK v-MASS" ON THE SEARCH FOR THE ELECTRON ANTINEUTRINO REST MASS IN TRITIUM BETA-DECAY.

In: Proceedings of International Conference "Neutrino 96". (Helsinki, Finland, June 13-19, 1996). World Scientific (1996) 264-277.

10. Y.M. Lobashev, A.I. Belesev, A.I. Berlev, E.V. Geraskin, A.A. Golubev, N.A. Golubev, O.V. Kazachenko, Yu.E. Kuznetsov, L.A. Rivkis, B.E. Stern, N.A. Titov, S.Y. Zadorozhny, Yu.I. Zakharov. NEUTRINO REST MASS AND ANOMALY IN THE TRITIUM BETA SPECTRUM. Nucl.Phys.B66 (1998) 187-191.

11. V.M. Lobashev, V.N. Aseev, A.I. Belesev, A.I. Berlev, E.V. Geraskin, A.A. Golubev, N.A. Golubev, O.V. Kazachenko, Yu.E. Kuznetsov, R.P. Ostroumov, L.A. Rivkis, B.E. Stern, N.A. Titov, S.V. Zadorozhny, Yu.I. Zakharov. NEUTRINO MASS AND ANOMALY IN THE TRITIUM BETA SPECTRUM. RESULTS OF "TROITSK v-MASS" EXPERIMENT. Nucl.Phys. B77(1999) 327-332

12. 11. V.N. Aseev, A.I. Belesev, A.I. Berlev, E.V. Geraskin, O.V. Kazachenko, Yu.E. Kuznetsov, V.M. Lobashev, R.P. Ostroumov, N.A. Titov, S.V. Zadorozhny, Yu.I. Zakharov, J. Bonn, B. Bornschein, L. Bornschein, M.Przyrembel, Ch. Weinheimer. ENERGY LOSS OF 18KEV ELECTRON IN GASEOUS T2 AND QUENCH CONDENSED D2 FILMS. The Europeian Physical Journal D 10 (2000) 39-52

13. А. И. Белесев, E. В. Гераскин, Б. JI. Жуйков, С. В. Задорожный, О. В. Казаченко, В. М. Коханюк, Н. А. Лиховид, В. М. Лобашев, А. А. Нозик, В. В.Парфенов, А. К. Скасырская, Е. А. Судачков, Н. А. Титов, В. Г. Усанов. ИССЛЕДОВАНИЕ ЭФФЕКТОВ ОБЪЕМНОГО ЗАРЯДА В ГАЗООБРАЗНОМ ТРИТИИ КАК ИСТОЧНИКА ИСКАЖЕНИЯ В-СПЕКТРА В ЭКСПЕРИМЕНТЕ ПО ПОИСКУ МАССЫ НЕЙТРИНО "ТРОИЦК НЮ-МАСС", Ядерная физика Т. 71, №3 2008 г. 449-459

Заключение

В данной работе представлено описание и работа установки «Троицк ню-масс», созданной для измерения бета спектра-трития вблизи граничной энергии с целью поиска массы покоя электронного антинейтрино. Установка создана в ИЯИ РАН и с начала 1990 г на ней ведутся регулярные измерения спектра трития по изучению кинематической массы нейтрино, а также измерения спектров конверсионных линий Кг. На защиту выносятся следующие результаты:

1. Предложен новый тип электростатического Р-спектрометра с магнитной адиабатической коллимацией (авторское свидетельство №1707652 (1991 г.), заявка №4418616 (1988 г.))

2. Изготовлен новый тип электростатического Р-спектрометра с магнитной адиабатической коллимацией, превосходящий по своим параметрам все существующие аналоги в области исследования Р-спектра трития и имеющем самое высокое разрешением по энергии, равное 3,4 эВ. Главной отличительной особенностью нового спектрометра является также высокая светимость L = 0,3 - 1,0 см2, превосходящая на порядок другие типы p-спектрометров для области низких энергий.

3. Предложен и изготовлен безоконный тритиевый молекулярный источник на основе циркулирующего газообразного трития, имеющий плотность 1013 — 5«1014 мол/см3 с высокоэффективным перехватом трития, вылетающего в сторону спектрометра, с фоном на уровне 5 — 10 мГц. Это стало возможным благодаря использованию изогнутого канала транспортировки электронов из источника в спектрометр, а также благодаря адсорбционному насосу на основе напыленного аргона.

4. Разработана и изготовлена сверхпроводящая магнитная система для установки «Троицк ню-масс», состоящая из 19 соленоидов с напряжённостью магнитного поля от 0,8 Тл до 8 Тл.

5. Изготовлена система снабжения жидким гелием криостатов установки «Троицк ню-масс» с использованием парожидкостной смеси от рефрижератора фирмы «Zulzer» типа TCF20, с мощностью -90 Вт при 4,5 К, который был модифицирован под условия эксперимента.

6. Разработаны и изготовлены 12 гелиевых криостатов установки «Троицк ню-масс» для размещения в них сверхпроводящих соленоидов с общей захолаживаемой массой около 800 кг.

7. Разработан гелиопровод протяжённостью -40 м с азотным экранированием, имеющий разъёмные индиевые уплотнения для подключения отдельных частей установки «Троицк ню-масс»: (3-спектрометра, тритиевого молекулярного источника и гелиевого рефрижератора.

8. Разработан и успешно используется криогенный комплекс установки «Троицк ню-масс», включающий в себя ожижитель гелия TCF20, систему сбора и хранения гелия и жидкого азота, систему очистки и контроля газообразного гелия от примесей.

9. В течение 1994 — 2001 гг. проведены сеансы измерения Р-спектра трития вблизи граничной энергии Е0 = 18570 эВ и получен результат для квадрата массы нейтрино: w2(ye) = (-2.3±2.5 ±2.0) эВ2/с4 и установлен верхний предел т(уе) < 2,05эВ/с (95% C.L.).

В настоящее время установка «Троицк ню-масс» в ИЯИ РАН является уникальной установкой, включающей в себя интегральный Р-спектрометр с магнитной адиабатической коллимацией и безоконный источник электронов на основе молекулярного циркулирующего трития, имеющая разрешение АЕ = 3,4 эВ, светимость L= 0,3 см и собственный фон 10—15 мГц.

Строящаяся в Германии (Карлсруэ) установка «КАТРИН», обещающая дальнейшее улучшение чувствительности благодаря большим размерам, вступит в строй не ранее 2011 года. Необходимо отметить, что полученные на нашей установке «Троицк ню-масс» результаты исследований широко используются в эксперименте «КАТРИН», в частности, концепция газового источника с использованием изогнутого канала транспортировки электронов к спектрометру, аргоновое напыление в этом канале, применение предварительного спектрометра, электронной пушки и т.д.

В качестве дополнения к проведенным исследованиям Р-спектра на установке «Троицк ню-масс» необходимо еще раз отметить выявленную аномалию Р-спектра трития на самом конце его избытка счёта, напоминающую по форме ступеньку (step). Скачок этой интенсивности составил около 0,3 — 1,0 Ю"10 от полной интенсивности источника. Эффект наблюдался практически во всех сеансах измерений (общее количество сеансов составило 23). Важно отметить, что в многочисленных сеансах измерений спектра трития группой Майнца [38, 39] ступеньки, по заявлению этих исследователей, не было видно в спектре. Это обстоятельство может быть вызвано другими используемыми параметрами при обработке результатов, а также худшим энергетическим разрешением их установки (~7 эВ). Кроме того, использованая ими в качестве источника электронов углеродная подложка с намороженными монослоями трития, способная самозаряжаться при измерениях p-спектра трития до 5 В, вызывает искажение функции разрешения их спектрометра.

Тем не менее, разумное объяснение «ступеньки», может быть найдено с вводом в строй новой модернизируемой в данное время установки «Троицк ню-масс», пуск которой планируется в 2008 году. Энергетическое разрешение этой модернизированной установки оценивается как АЕ = 0,$ эВ.

В заключении автор выражает глубокую благодарность научному руководителю эксперимента «Троицк ню-масс» академику РАН В.М. Лобашеву за поддержку и помощь в работе, а также всему коллективу сотрудников, принимавших участие в создании данной установки и проведении на ней физических измерений:

О.В. Казаченко, Н.А. Титову, В.И. Парфёнову, Б.М. Овчинникову, А.И. Белесеву, А.И. Блейле, А.И. Берлёву, С.В. Задорожному, Б.Е. Штерну, JI.A.

Ривкису, Н.А. Голубеву, А.А. Голубеву, [П.Е. Спиваку|, [О.В. Сердюку|,

Ю.Э. Кузнецову!, А.П. Солодухину, И.В. Секачёву, А.К. Скасырской а также А.Е. Шнырёву, В.Я. Баракину, В.В. Чернякову.

Автор выражает благодарность коллективу производственных подразделений ИЯИ РАН, прежде всего опытному производству, взявших на себя изготовление в 1988 - 90 гг. сложной и уникальной установки «Троицк ню-масс» без привлечения сторонних организаций.

Особую благодарность автор выражает А.К. Скасырской, С.В. Задорожному и А.А. Нозику за неоценимую помощь в оформлении диссертационного материала.

1. Е. Fermi. VERSUCH EINER THEORIE DER p-STRAHIEN. // Zeitschrift fur Physik 1934. - V.88 - P. 161-177.

2. F. Reines and Clude L. Cowan. The Neutrino. // Journal Nature. 1956 — V.178 -P.446.

3. Cleveland B.T., Daily Т., Davis R., Distel J.R. Laude K., Lee C.K., Wildenhain P.S. and Ullman J. Measurement of the solar electron neutrino flux with the homestake chlorine detector. // Astrophysics Journal. — 1996 — V.496 P.505-526.

4. S.Levin, M. Bensadoun, G. De Amici, M. Limon, G. Smoot. A measurement of the cosmic microwave background temperature at 7.5 GHz. //Astrophysics Journal 1992-V.396.-P.3.

5. M.L. Fisher et al. A balometric millimeter wave system for observations of anisotropy in the cosmic microwave background radiation on medium angular scales. // Astrophysics Journal 1992 - V.388. - P.242.

6. Y.Fukuda et al. Solar neutrino data covering solar cycle 22. // Phys. Rev. Lett. 1996 V.77 -P.1683.

7. J.N. Abdurashitov et al. RESULTS FROM SAGE (The Russian-American Gallium solar neutrino Experiment). // Phys. Lett. B. 1994 - V.328. - P.234-248.

8. P.Anselmann et al. (GALLEX Collaboration). GALLEX SOLAR NEUTRINO OBSERVATIONS: COMPLETE RESULTS FOR GALLEX II. //Phys. Lett. B. 1995 — V.357. - P237-247.

9. Art McDonald et al. First neutrino observations from the Sudbury Neutrino Observatory. // Proceedings of the XIX International Conference on Neutrino physics and Astrophysics. — Sudbury. 2000.

10. Mikheev, S. P.; Smirnov, A. Iu. Resonant amplification of neutrino oscillations in matter and solar-neutrino spectroscopy. //Nuovo Cimento C. 1986, -V.9. P. 17-26.

11. M Gell-Man, P.Ramond, R Slansky. Complex spinors and unified theories. //Supergravity. Eds. P. van Nieuwenhuizen and D.Z.Frredman. North Holland. -Amsterdam. - 1979.

12. J. Angrik, T. Armbrust,., E. Geraskin et al., KATRIN Design Report. // FZKA Scientific Report 7090, 2005.

13. A.Klipin J.Holtzman, J. Primack, E.Regos. Structure formation with plus hot dark matter. //Astrophys. Journal. 1993 - V.416. - P.l.

14. Peebles, P. J. E. The large-scale structure of the universe. // N.J., Princeton University Press 1980 - P.435.

15. Hernquist, Lars; Katz, Neal; Weinberg, David H.; Miralda-Escud, Jordi. The Lyman-Alpha Forest in the Cold Dark Matter Model. II Astrophysical Journal Letters. 1996 - V.457. - P.L51.

16. S.R. Elliot, A.A.Hahn, M.K.Moe. Direct evidence for two-neutrino double decay in 82Se. //Phys. Rev. Lett.- 1987. V.59. - P.2020

17. H. Klapdor-Kleingrothaus. Double beta decay — Physics beyond the standard model. // Proc. of: Neutrino -1996 V.96 - P.317

18. H. Meyer. // Proceedings of the International Conference "Neutrino 97", Heidelberg. P.306.

19. D.E.Groom, (Particle Data Group Collaboration). // Eur. Phys.Journal. C. -2000.-V.15.

20. V.M.Lobashev. The search for neutrino mass by direct method in the tritium beta-decay and perspectives of study in the project KATRIN. //Nucl. Phys.A — 2003.- V.719. -P.153-160.

21. M. Sisti et al., "STATUS OF THE MILANO NEUTRINO MASS EXPERIMENT WITH ARRAYS OF AGREO-4 MICROCALORIMETERS". // Nucl. Phys. Proc. Suppl. -2002. -Vol. 110. -p. 369-371.

22. F. Gatti, "MICROCALORIMETER MEASUREMENTS" // Nucl. Phys. Proc. Suppl. -2001, -Vol. 91. -p. 293-296.

23. D. A. Knapp, "Measurement of the Electron Antineutrino Mass from the Beta Spectrum of gaseous Tritium" // Los Alamos National Laboratory, LA-10877-t Thesis. -1986.

24. Козик B.C., Любимов B.A., Новиков Е.Г. и др. // Ядерная физика -1980. -т. 32. -стр. 309.

25. V.A. Lubimov et al. AN ESTIMATE OF THE ue MASS FROM THE p-SPECTRUM OF TRITIUM IN THE VALINE MOLEKULE. //Phys. Lett. B. -1980.-V.94- P.266-268.

26. R. G. H. Robertson, T. J. Bowles, G. J. Stephenson, Jr., D. L. Wark, J. F. Wilkerson, D. A. Knapp "Limit on ue mass from observation of the beta decay of molecular tritium" // Phys. Rev. Lett. -1991. -Vol. 67. -p. 957-960.

27. W. Stoeffl and D. J. Decman. "Anomalous Structure in the Beta Decay of Gaseous Molecular Tritium" // Phys. Rev. Lett. -1995. -Vol. 75. -p. 3237-3240.

28. H. Kawakami et al, "NEW UPPER BOUND ON THE ELECTRON ANTI-NEUTRINO MASS" // Phys. Lett. B. -1991. -Vol. 256. -p. 105-111.

29. E. Holzschuh , M. Fritschi, W. Kuendig. "MEASUREMENT OF THE ELECTRON-NEUTRINO MASS FROM TRITIUM BETA DECAY" // Phys. Lett. B. -1992. -Vol. 287. -p. 381-388.

30. В. M. Лобашев. Доклад на заседании Совета по нейтрино Академии Наук СССР. 14 ноября 1982г.

31. В. М. Лобашев, П. Е. Спивак. К вопросу об измерении массы покоя антинейтрино. //Препринт ИЯИ АН СССР П-0291. -Москва. -1983

32. V.M. Lobashev, P.E.Spivak. A METHOD FOR MEASURING THE ELECTRON ANTINEUTRINO REST MASS. //Nuclear Instr. and Meth. In Phys. Research A. -1985.-V.240. P.305-310.

33. V.M. Lobashev, A.I. Fedoseev, O.V. Serdyuk, A.P. Solodukhin. NUMERICAL SIMULATION OF A LOW-ENERGY ELECTRON ELECTROSTATIC INTEGRAL SPECTROMETER WITH ADIABATIC COLIMATION. //Nuclear Instr. and Meth. In Phys. Research A.-1985.-V.238. -P.496-499.

34. C. Weinheimer, (2002), CLII Course of Int. School of Physics "Enrico Fermi" // Varenna/Italy 2002. Так же: // электронный ресурс. e-Print Archive: hhep-ex/0210050.

35. С. Weinheimer, (2002), CLII Course of Int. School of Physics "Enrico Fermi" // Varenna/Italy 2002. Так же: // электронный ресурс. e-Print Archive: hhep-ex/0210050.

36. Morpurgo M. Morpurgo, Aeselen //Particle Accelerators. 1970. - V.l. -P.225.

37. Б.М. Овчинников, В.В. Парусов. Способ определения концентрации электроотрицательных примесей в неэлектроотрицательных газах. //Патент РФ №2258924, от 24.06.2004. 2006.

38. В.И. Дацков, Л.В. Петрова, Г.П. Цвинева. Криогенные термометры на основе резисторов типа ТВО и их применение. // Препринт ОИЯИ. 1987. -.07 - 604. - Р.8.

39. S. Jonsell and H. J. Monkhorst "Effects from Changes in the Final State Spectrum on the Neutrino Mass Determination from T2 Beta Decay Experiments" // Phys. Rev. Lett. -1996. -Vol.76 -p. 4476-4479.

40. A. Saenz et al. // Phys. Rev. Lett. -2000. -Vol.84 -p. 242-248.

41. N.A.Titov. Sensitivity and Systematics of KATRIN Experiment. //Physics of Atomic Nuclei. 2004- Vol.67. - p. 1953-1958.

42. A. F. Nastoyashchii, N. A. Titov, I. N. Morozov, F. Gluck, E. W. Otten. Effectsof Plasma Phenomena on Neutrino Mass Measurements Process Using a Gaseous Tritium beta-Source. //Fusion Science and Technology.-2003 V.48 (1) -p. 743-746

43. R.G.Robertson, D.A.Knapp. // Ann. Rev. Nucl. Part. Sci. 1988. - V.38. -P. 185-215

44. А. И. Белесев и др. "Исследование эффектов объёмного заряда в газообразном тритии как источника искажения бета-спектра в эксперименте по поиску массы нейтрино «Троицк ню-масс» // ЯДЕРНАЯ ФИЗИКА. 2008. -V.71 (3). - Р. 449-459.