Программа фундаментальных исследований президиума ран 2005 года отчет москва 2006 г

CAST

S.Andriamonje, … S.Gninenko et al. First results from the CERN axion solar telescope (CAST). Phys.Rev.Lett. 94 (2005) 121301

S.Andriamonje, … S.Gninenko et al. The CERN axion solar telescope (CAST): an update. Nucl.Phys.Proc.Suppl., 138 (2005) 41-44

CAST Collaboration (S. Andriasnonje, V. Arsov, A.S. Belov , N. A. Golubev, S. N. Gninenko et. al.,) First results from the CERN Axion Solar Telescope (CAST), Phys. Rev. Let. 94, 121301 (2005).

1) участие в эксперименте К2К (КEK-to-Kamioka) по поиску осцилляций мюонного нейтрино;

2) подготовка эксперимента следующего поколения по поиску осцилляций нейтрино T2K (Tokai-to-Kamioka).
Эксперимент К2К (КEK-to-Kamioka).
1. Завершается анализ данных, накопленных в 1999-2004 г.г. Подтвержден эффект осцилляции мюонного нейтрино, во-первых, по дефициту зарегистрированных мюонных нейтрино на установке Супер-Камиоканде, а во-вторых, по искажению формы их энергетического спектра. Вместо ожидаемых 151⁺¹²_-10 событий Супер-Камиоканде детектор зарегистрировал 107 мюонных нейтрино. Подгонка формы энергетического спектра мюонных нейтрино демонстрирует, что искажение формы спектра наилучшим образом описывается наличием осцилляции с параметрами sin²2=1 и разностью квадратов масс нейтрино m²=(2.8) 10^-3 эВ² (уровень достоверности 90%). Отсутствие осцилляций исключается на уровне 4.1 (вероятность статистической флуктуации равна 0.0050%)
2. Проведено измерение когерентного рождения пионов при взаимодействии нейтрино с ядрами через заряженный ток при энергии около 1.3 ГэВ. Этот процесс является чувствительным тестом гипотезы частично сохраняющегося аксиально-векторного тока (PCAC). Экспериментальные данные, существующие в интервале энергий нейтрино от 7 до 100 ГэВ, находятся в хорошем согласии с моделью Рейна-Сегала, базирующейся на PCAC.

Измерения, проведенные в К2К с использованием полностью активного детектора SciBar,

не обнаружили когерентного рассеяния нейтрино при энергии около 1 ГэВ. В результате установлен верхний предел на отношение сечений когерентного рождения пионов в заряженных токах к полному сечению заряженных токов 0.6 x 10^-2 (90% c.l.). Это первое экспериментальное ограничение на такой процесс при низких энергиях нейтрино.
3. Проведен анализ данных по поиску осцилляций мюонного нейтрино в электронное нейтрино. После обработки всех данных зарегистрировано одно событие, которое может рассматриваться как кандидат на переход _  _e. В то же время, ожидаемый фон (примесь

электронных нейтрино в пучке и восстановление одиночного фотона от распада ⁰  2) составил 1.63 события. Чувствительность к углу смешивания в прямом ускорительном эксперименте К2К пока примерно в 2 раза ниже, чем в реакторном эксперименте на исчезновение CHOOZ.

участвуют во всех этапах работы по восстановлению детектора в полном объеме.

на ускорителе J-PARC (Japan Proton Accelerator Research Complex). который расположен в 295 км от Супер-Камиоканде (дальний детектор). Планируемые параметры ускорителя: энергия протонов - 50 ГэВ, интенсивность – 3.310¹⁴ протонов за сброс длительностью 3.5 с (0.75 МВт), средняя энергия нейтринного пучка – 0.8 ГэВ (пучок нейтрино смещен относительно направления протонов на 2-3 градуса – Off-Axis).

В данный момент идет разработка ближнего детектора нейтрино, который будет расположен в 280 метрах от пионообразующей мишени (ND280-детектор).
Основные результаты работы в 2005 году:

1. Предложен детектор мюонов высоких энергий на основе экструдированных пластических сцинтилляторов со спектросмещающими волокнами и микропиксельными фотодетекторами.

Изготовлены первый реальные прототипы этого детектора, который будет установлен в магните ближнего (ND280m) детектора нейтрино. Проведены измерения параметров этого детектора на пучке пионов и протонов в КЕК в ноябре 2005 года.

2. Разработана вето система для on-axis детектора. Получена эффективность регистрации заряженных частиц более 99.8%. Детекторы обладают высоким световым выходом и хорошим временным разрешением.

3. Разработаны, изготовлены новые микропиксельные фотоприемники. Работа проводилась совместно с Центром перспективных технологий (Москва). Приборы размером около 1х1 кв.мм имеют 600 пикселей, каждый размером около 30 микрон. Получена эффективность регистрации фотонов 10-12% для зеленого света, шум менее 1 МГц, низкий cross-talk. Проведен высокотемпературный тест при рабочем напряжении, который позволил оценить время жизни этих фотодетекторов более 5 лет. В настоящее время продолжается интенсивное изучение этих приборов, которые рассматриваются в качестве базовых фотоприемников в ближнем детекторе эксперимента Т2К.
Публикации в 2005 году

1. 
   E.Aliu, S. Andringa, S.Aoki, …, M. Khabibullin, A. Khotjantsev,…, Yu. Kudenko, …, V. Matveev, .., S. Mikheev, …, O. Mineev, …, N. Yershov,.. et al. Evidence for muon neutrino oscillation with an accelerator-based experiment. Phys. Rev. Lett. 94:081802, 2005.
   
2. 
   M.Нasegawa, … , M. Khabibullin, A. Khotjantsev,…, Yu. Kudenko, …, V. Matveev et al. Search for coherent charged pion production in neutrino-carbon interactions , to be
   

1. 
   Yu. Kudenko, The T2K experiment: status and instrumentation of the ND280m near detector, Invited talk given at 9^th ICATPP, Como, Italy, 17-21 October 2005.
   
2. 
   E.Gushin, M.Khabibullin, Yu.Kudenko et al., Multipiexl Geiger mode avalance photodiodes with high quantum efficiency and low excess noise factor, Talk given
   

Медный блок загерметизирован с помощью полиэтиленовой плёнки. Изготовлена и подсоединена система продувки изолированного объёма парами жидкого азота для удаления воздуха, содержащего радиоактивный ²²²Rn.

Трубопроводом МПС соединён со специально изготовленной газо-вакуумной установкой, предназначенной для откачки счётчика и заполнения его очищенными газами.

Подготовлена регистрирующая аппаратура в составе: 2 блока высоковольтных фильтров; 2 зарядочувствительных предусилителя; блок низковольтного питания; блок высоковольтного питания; 3-х канальный усилитель-дискриминатор; регистрирующий комплекс на базе двухканального цифрового осциллографа ЛА-н20-12PCI, встроенного в персональный компьютер PENTIUM-II (450 МГц). Комплект аппаратуры позволяет осуществить съём сигнала с обоих концов анодной нити и запись их формы в память ПК.

На данном этапе измерений сигналы снимаются только с одной стороны анода с целью снижения уровня шумов и наводок. Частота оцифровки выбрана равной 6,25 МГц.

Подготовлены программы управления режимами работы ЦОС и обработки данных.

Установка расположена в отдельном помещении подземной лаборатории Галлий-Германиевого нейтринного телескопа БНО ИЯИ РАН на глубине 4700 м в.э. Стены лаборатории покрыты низкорадиоактивным бетоном (~40 см) на основе дунита. Фон гамма-квантов по сравнению с голой выработкой снижен слоем бетона в ~8 раз.

МПС заполнен до 4,51 ат. образцом криптона, обогащённым по ⁷⁸Kr до 99,81%

(произведён в ФГУП ПО «Электрохимический завод», г. Зеленогрск). Рабочее напряжение МПС равно 2400 В.

Ожидается, что эффект от 2К-захвата ⁷⁸Kr →⁷⁸Se^** будет проявляться в виде дополнительных к фону событий с распределением полной энергии в энергетическом окне 25,3±2,5 кэВ по трём точечно-подобным областям объёма МПС. Энерговыделения в этих областях задаются энергиями двух характеристических квантов, рождающихся при заполнении двойной вакансии на К-оболочке дочернего ⁷⁸Se^**, и суммарной энергией оже-электронов, возникающих при снятии остаточного возбуждения атома селена. Отбор трёхточечных событий осуществляется по результатам анализа формы записанных в память ПК импульсов.

Анализ информации, накопленной за первые 159 час. измерений, показал, что в спектре отсутствуют события с нужным набором признаков. Это позволило установить наилучший в настоящее время предел на период полураспада ⁷⁸Kr относительно 2К-захвата: Т_1/2≥1,5∙10²¹лет (90% у.д.).

Чувствительность установки к искомому процессу за один год измерений оценена равной 1∙10²²лет (90% у.д.).

Достигнутый уровень чувствительности позволяет проверить расчёты одной из трёх моделей, предсказывающих следующие значения периода полураспада ⁷⁸Kr относительно 2К-захвата: 1) 4,7∙10²¹лет; 2) 4,7∙10²²лет; 3) 6,2∙10²³лет. В случае, если нулевой фон трёхточечных событий сохранится для большего времени наблюдений (t), экспериментальные ограничения возрастут пропорционально (t/t₀)^1/2. Набор статистики продолжается.

Для выяснения потенциальных возможностей дальнейшего снижения фона МПС проводятся дополнительные исследования.

- Проведено измерение собственного фона двух МПС на установке «¹³⁶Хе», полностью аналогичных используемому в описываемом эксперимента. Все три МПС сделаны из металла одной партии и собирались последовательно по одной методике. В ходе измерений изучались возможности этих детекторов по определению степени очистки образцов естественного аргона от радиоактивного атмосферного изотопа ³⁹Ar (объёмная активность ~1,7 Бк/м³Ar). Очистка аргона проведена методом изотопного разделения на ультрацентрифугах предприятием «Электрохимический завод». По данным предприятия степень очистки не хуже 100.

Сравнивался фон счётчиков, заполненных до 4,8 ат. естественным аргоном и очищенным аргоном. Отношение скоростей счёта в интервале 15-150 кэВ составило ~2,7.

Детальный анализ спектра фона МПС с очищенным аргоном показал присутствие большого количества событий от электронов, испущенных с внутренней поверхности меди ( поверхностный источник ). Эти события имеют максимальную длительность фронта. Сравнение распределений событий для ^ест.Ar и ^оч.Ar по длительности фронта

в области максимального отличия позволило получить оценку степени очистки на уровне 20. Форма спектра с ^оч.Ar позволила предположить, что в основном поверхностные электроны рождаются в цепочке распада ²¹⁰Pb→²¹⁰Bi→²¹⁰Po→²⁰⁶Pb(стаб.) Изотоп ²¹⁰Pb

(Т_1/2 = 21,8 года) мог накопиться в поверхностном слое внутренней стенки медного корпуса от распада ²²²Rn за время хранения медных деталей на воздухе. Для проверки предположения о том, что это истинно поверхностный источник, было проведено измерение формы спектра альфа-частиц, которые испускаются при распаде ²¹⁰Ро.

В случае равномерного распределения источника в меди спектр имеет вид плоской ступеньки. Для поверхностного источника в спектре должна присутствовать линия.

Измерения подтвердили предположение о том, что источник поверхностный. Данный вывод позволяет надеяться, что в эксперименте с ⁷⁸Kr дополнительная очистка внутренней поверхности корпуса МПС механическим или химическим способом с соблюдением мер предосторожности против повторного загрязнения радиоактивными изотопами позволит снизить фон по крайней мере в ~10 раз, что приведёт к росту чувствительности в ~3 раза.

Оценить необходимость такой модернизации пока не представляется возможным, поскольку отбор трёхточечных событий и без этого снижает фон до нуля.

- Подготовлена экспериментальная установка для проверки возможности имитации трёхточечного события от 2К-захвата ⁷⁸Kr внешним гамма-квантом с энергией, близкой к области ожидаемого эффекта. Предполагается на модернизированном счётчике СРПО-309, заполненном криптоном, с бериллиевым окном большой площади (7х20 см²) провести регистрацию с помощью ЦОС характеристического излучения, возбуждаемого гамма-квантами с энергией 59,6 кэВ (²⁴¹Am) в мишенях Ag, Cd, In, Sn, Sb, Te, I, Cs, Ba. Энергии характеристических фотонов К-серии этих элементов перекрывают диапазон 22,0-37,3 кэВ с шагом ~0,2-0,8 кэВ. Для каждого спектра предполагается провести анализ количественного соотношения одно-, двух- и трёх-точечных событий.

- Для идентификации источника происхождения возможного сигнала в области 25,3±2,5 кэВ в ФГУП ПО «Электрохимический завод» заказан образец естественного криптона

(содержание ⁷⁸Kr ≤ 1%), очищенный от радиоактивного ⁸⁵Kr до уровня чистоты образца ⁷⁸Kr. Образец будет использован для измерения собственного фона МПС.

Договор на изготовление образца ^ест.Kr финансируется из средств программы (300 тыс. руб).

На средства программы закуплены источники высокого напряжения и две платы ЛА-н20-12PCI (95 тыс. руб).

Продолжались механические работы по изготовлению деталей сверхнизкофонового спектрометра с ППД из сверхчистого германия, предназначенного для измерения радиационной чистоты материалов экспериментальной установки.

Первые результаты работы доложены на международной конференции «NANP’05»,

20-25 июня, г.Дубна. В журнал «Ядерная физика», где будут опубликованы труды, подана статья

Yu. Gavriljuk, V. Gavrin, A. Gangapshev, V. Kuzminov, N. Osetrova, S. Panasenko, S. Ratkevich, A.. Shubin , G. Skorynin, I. Pul’nikov, A. Ryabukhin. “New stage of a search for the 2K(2ν)-capture of ⁷⁸Kr”, Proceedings of the V-th International Conference on NON-ACCELERATOR NEW PHYSYCS “NANP’05”, June 20-25, 2005, Dubna, Russia, (в печати).

• 
  ИЯИ РАН (БНО)
  
• 
  Харьковский национальный университет им. В.Н.Каразина
  
• 
  ФГУП ПО «Электрохимический завод». г. Зеленогорск
  
• 
  Кабардино-Балкарский государственный университет им. Х.М.Бербекова
  

Исследования направлены на решение фундаментальной проблемы генерации масс фермионов вне стандартной модели.

Цель работы - поиск массы электронного нейтрино и прецизионное исследование свойств основных систематических эффектов, обнаруженных в предыдущих экспериментах ниже граничной точки бета спектра трития.

Получены нетривиальные результаты при исследовании плазменных флюктуаций в источнике трития с помощью ⁸³Kr.

Предложен эффективный вариант модернизации установки, позволяющий улучшить энергетическое разрешение в 3 раза и светосилу в 2 раза.

Модернизация установки «Троицк ню-масс» подходит к этапу завершения.

Поиск кинематической массы нейтрино является важнейшей задачей экспериментов, связанных с физикой нейтрино.

В настоящее время наилучшие результаты (ограничение на массу нейтрино) получены в экспериментах в Институте ядерных исследований (установка «Троицк ню-масс», фото 1) и группой «Нейтрино Майнц» в Университете г. Майнц, Германия. Ограничение на величину массы составляет m_ν<2.05 эВ. в Троицке и m_ν<2.2 эВ. в Майнце. Эти результаты показали правильность направления, определяемую применением нового типа спектрометра и безоконного источника электронов трития. Дальнейшее развитие и ориентиры диктуются, в основном, космологическими требованиями, связанными с такими фундаментальными проблемами, как происхождение крупных структур и галактик в процессе расширения вселенной, проблемой темной материи и т.д.

Решение этих проблем требует продвижения по точности измерения массы нейтрино как минимум на порядок, т.е. 0.2 – 0.3 эВ. Достижение такой точности осуществляется путем создания новой установки, осуществляемой в Исследовательском центре Карлсруэ в Германии. Размеры установки, например, диаметр спектрометра равный 10 м. и источник трития длинной 70 м. обещают достижение указанной точности. Группа «Троицк ню-масс» является участником этой коллаборации и берет на себя ответственность за выполнение тестовых и поисковых исследований систематических эффектов, связанных с измерением бета спектра трития вблизи граничной

Рис. 1. Установка «Троицк ню-масс», спектрометр на переднем плане.

энергии. К числу возможных эффектов принадлежит размытие граничной энергии бета спектра, или то же самое для формы граничной точки конверсионной линии ^83mKr.

Исследование включает измерения только линии криптона без трития в источнике и смеси трития и криптона в режиме циркуляции.

Установка «Троицк ню-масс» была создана в конце 80-х годов и в ходе выполнения эксперимента все более усовершенствовалась. Но, в настоящее время, на установке «Троицк ню-масс» достигнут предел точности установки. Было предложено провести модернизацию установки путем замены старого спектрометра на новый, большего размера. Предложенная модернизация установки должна дать улучшение энергетического разрешения спектрометра до 1.2 эВ и увеличение светосилы в 1.5 – 2 раза. Особенно важно улучшение разрешения для исследования спектра конверсионных электронов криптона 83 с целью поиска плазменных флюктуаций в источнике трития и исследования аномальной структуры типа ступенчатого всплеска интенсивности вблизи конца бета спектра трития.

Для решения этой задачи на Подольском механическом заводе был изготовлен новый корпус спектрометра с диаметром центральной части 2.8 м., длиной 8 м. Эту «проставку» предполагается вставить между концевыми «чашками», содержащими криостаты сверхпроводящих магнитов, так чтобы максимально сохранить криогенную систему в объеме спектрометра. Новый электрод должен находиться внутри «проставки». Для изготовления электрода был произведен полный расчет электромагнитных полей внутри спектрометра для оптимизации геометрии электрода в плане максимальной однородности электрического поля и выбраны оптимальные параметры для магнитного поля.

В настоящее время изготовленный корпус полностью готов к установке на штатное место в зале. Разработана проектная документация по результатам расчетов электрода.

2. 
   Измерения формы конверсионной линии ^83mKr
   

Особое значение на сегодня имеет обнаружение размытия на уровне ~ 3 – 4 эв., т.к. этим эффектом можно было бы объяснить ранее наблюдавшийся эффект «отрицательного квадрата массы» при поиске массы нейтрино. Спектр конверсионных линий криптона содержит 3 наиболее интенсивных линии с энергией 17830 эВ. (К – линия), 30425 эВ. (L2 – линия) и 30477 эВ. (L3 – линия). К – линия должна наблюдаться на фоне бета спектра трития с интенсивностью до 10 КГц., что требует источник криптона с эквивалентной интенсивностью. К сожалению, изготовление такого источника требует решения ряда технических проблем, и выход был найден в измерении L3 – линии, которая по энергии далеко отстоит (выше) от тритиевого бета спектра и имеет меньшую собственную ширину по сравнению с линией 17830 эВ.

Измерению формы конверсионной линии ^83mKr было посвящено несколько сеансов.

Рис. 2

На рис. 2 приведены некоторые измеренные спектры. Изучение этих спектров посредством фитирования спектра конверсионной линии и размытия показало, что величина размытия существенно меньше 1 эВ., тогда как для объяснения эффекта отрицательного квадрата массы должно быть Δm² ~ 2 σ², т.е. при Δm²~ -(15 – 20 эв.) σ должно быть больше 3 эВ.

Таким образом, отсутствие такого объяснения еще раз ставит вопрос о природе аномалии в спектре трития, наблюдавшейся ранее.

Следует отметить, что ^83mKr может использоваться в эксперименте по поиску массы нейтрино для диагностирования систематических эффектов, связанных не только с плазменными флюктуациями, но и любыми искажениями формы бета спектра трития типа смещений.

Величина уширения линии криптона определялась фитированием экспериментально измеренной формы линии по отношению к теоретической с введением свободных параметров.

Вариация разрешающей способности производилась как изменением входного поля так и величиной поля теплого соленоида. Сканирование энергии электронов производилось в пределах 45 эв. при разрешающей способности спектрометра 6.5 – 8эв. в зависимости от величины магнитных полей в сверхпроводящих соленоидах и теплом соленоиде.

Фитирование спектров конверсионных электронов криптона выявило следующее:

Величина размытия конверсионной линии, измеренная в виде разности данных со смесью ^83mKr – T² и только ^83mKr для трех групп измерений показана в таблице 1.

Таблица 1. Результаты фитирования экспериментальных данных, полученных последних сеансах.

	Run 40 (100A/15A)	Run 39 (100A/15A)	Run 39 (100A/25A)
Размытие(уширение)	-0.28±0.30 эВ2	0.32±0.46 эВ2	-0.24±0.45 эВ2
Сдвиг	+0.204±0.051 эВ	+0.42±0.060 эВ	+0.59±0.065 эВ

Как видно из таблицы, величина уширения конверсионной линии находится в пределах ошибки, суммарно равной 0.22 эв², учитывающей как статистическую, так и систематическую ошибки. Таким образом, возможность объяснения этим эффектом аномальной структуры ступеньки 15 – 20 эв² у конца спектра исключается достаточно надежно. Неожиданным оказался другой эффект. Положение линии (сдвиг) оказался явно отличным от нуля и при этом, направление сдвига соответствует ситуации, как если бы потенциал источника трития был отрицательным. Этот факт противоречит обычному представлению о происхождении заряда плазменного облака в магнитной ловушке. Принято считать, что электроны покидают ловушку первыми и оставшиеся ионы определяют положительный заряд облака. Обнаруженное явление, по-видимому, указывает на значительно более сложный характер динамики зарядов в плазме магнитной ловушки.

Эти результаты были доложены на собрании коллаборации КАТРИН и подготавливаются к публикации. Поскольку конверсионные линии L2 и L3 наблюдаются без существенного фона трития, то проведение измерений не ограничивается интенсивностью материнского радиоактивного изотопа Rb⁸³.

Оба результата имеют чрезвычайно важное значение для эксперимента КАТРИН и должны быть тщательно изучены. Модернизация спектрометра, позволит по завершении его внести в эту проблему необходимую ясность.

2. 
   
   жүктеу/скачать 0.6 Mb.
   
   Достарыңызбен бөлісу: