6 Нейтринная астрофизика высоких энергий



Скачать 136.83 Kb.
Дата02.07.2019
Размер136.83 Kb.
ТипПрограмма

6 Нейтринная астрофизика высоких энергий

6.1 Глубоководное детектирование мюонов и нейтрино на оз.Байкал

К вечеру 11-го апреля 2012 года весь комплекс БГНТ был включён в работу в режиме постоянного набора данных по программам исследования природных потоков мюонов и нейтрино высоких и сверхвысоких (свыше 10 ТэВ) энергий, поиска магнитных монополей и проявлений массивных частиц тёмной материи. Эксплуатация детектора велась в течение года на вполне удовлетворительном уровне и к настоящему времени "живое время" работы БГНТ составило 220 суток.

Анализ данных, полученных на прототипе кластера НТ1000 в 2011 году, продемонстрировал корректность подходов и технических решений, использованных при создании системы регистрации будущего детектора. Это позволило в 2012 году приступить к решению проблем, связанных с технологией развертывания детектора и серийным производством комплектующих элементов регистрирующей системы. В результате проведенных исследований была осуществлена модернизация ряда электронных и технологических узлов детектора и во время зимней экспедиции 2012 года установлен в оз. Байкал опытный образец полномасштабной гирлянды НТ1000 с 24 оптическими модулями на базе ФЭУ R7081HQE. В начале апреля 2012 года гирлянда была включена в работу в режиме круглогодичного набора данных совместно с двумя дополнительными технологическими гирляндами, состоящими из 6 оптических модулей каждая. Основными целями исследований 2012 года являлись выявление ошибок в проектировании гирлянды НТ1000 и разработка оптимальных алгоритмов управления системой сбора данных детектора. Испытания опытного образца гирлянды позволили выявить ряд недостаточно надежных конструктивных элементов (разъемы мониторных каналов оптических модулей и кросс-плат контроллеров АЦП). Долговременная проверка стабильности и надежности работы установки позволила устранить сбои, возникающие в процессе работы аппаратуры, и оптимизировать алгоритмы управления, обеспечивающие бесперебойную работу измерительной системы. В целом, результаты работы первой гирлянды НТ1000 в течение 2012 года можно считать вполне удовлетворительными, что позволяет планировать в 2013 году создание опытного образца кластера НТ1000 из трех полномасштабных гирлянд. В настоящее время подготовка аппаратуры кластера НТ1000 близка к завершению и проводятся ее лабораторные испытания. Степень готовности аппаратуры составляет около 80% (из планируемых к монтажу 72 оптических модулей скомплектовано 56). Завершение подготовительных работ планируется на конец января 2013 года.

В течение 2012 года осуществлялась эксплуатация нейтринного телескопа НТ200 и прототипа кластера НТ1000 в режиме непрерывного набора данных и в тестовых режимах. Разработаны, протестированы и включены в штатный режим эксплуатации установки процедуры калибровки временных и амплитудных измерительных систем. Проведена калибровка временных и амплитудных измерительных систем прототипа кластера и телескопа НТ200. Исследованы вариации уровня фона от светимости водной среды и временное поведение параметров оптических модулей, в частности темнового тока фотоэлектронных умножителей, в течение 2012 года. Исследована интенсивность водных течений на глубине постановки регистрирующей аппаратуры по результатам обработки данных акустических систем позиционирования.

На протяжении 2012 года продолжалась разработка программного обеспечения работ по моделированию отклика и анализу данных нейтринного телескопа НТ1000 в задачах исследования природных потоков нейтрино, поиска нейтринного сигнала от аннигиляции массивных частиц темной материи в астрофизических объектах, поиска других гипотетических частиц. Выполнено, требующее больших вычислительных ресурсов, полномасштабное моделирование отклика конфигурации телескопа НТ1000, содержащего 10368 ОМ, на черенковское излучение мюонов, ливней высоких энергий, а также калибровочных источников света, с учетом квантовой и угловой чувствительности ФЭУ. Проведено моделирование процесса распространения электронных нейтрино разного спектра в толще Земли и отклика НТ1000 на черенковское излучение ливней высоких энергий, образующихся при взаимодействии нейтрино в чувствительном объёме телескопа.

Выполнен значительный объём работ по систематизации и анализу данных. В качестве наиболее значимого результата здесь следует отметить завершение анализа массива данных, накопленных за 1034 дня эффективной работы детектора НТ200, и получение одного из наиболее сильных в настоящее время экспериментальных ограничений в задаче поиска локальных источников нейтрино высоких энергий. В качестве кандидатов на события от мюонных нейтрино отбирались события, удовлетворяющие отклику установки на черенковское излучение мюонов из-под горизонта. События от нейтрино восстанавливались по вторичным мюонам и сигнатурой на события от нейтрино являлся факт прихода мюона из-под горизонта. Точность восстановления направления распространения нейтрино для подобных событий равна 2.5 градусам (медианное значение). Чувствительность к потоку нейтрино составила (6 − 10) × 10−7(Eν/ГэВ)−2ГэВ−1сек−1см−2 для постоянно видимой области неба (δ < −36град). В результате анализа экспериментальных данных не было выявлено статистически значимого превышения числа зарегистрированных событий над ожидаемым уровнем фоновых событий.

Проведено МК-моделирование процессов прохождения осциллирующих нейтрино в веществве и в вакууме до детектора от аннигиляции массивных слабо взаимодействующих частиц темной материи в центре Солнца с учётом всех процессов взаимодействия и регенерации нейтрино. Для телескопа с порогом регистрации мюонов из нижней полусферы 1 ГэВ - Баксанского подземного сцинтилляционного телескопа - получены сильные ограничения на сечения упругого рассеяния нейтралино на протоне в спин-зависимом взаимодействии в широком диапазоне масс нейтралино. Результаты сравнимы с новыми ограничениями в прямых измерениях, на телескопах IceCube, SuperK, ANTARES.

Выполнены штатный ремонт и модернизация глубоководной акустической системы определения текущих координат элементов комплекса детектора НТ200+. Продолжались работы по изучению оз.Байкал как уникального природного объекта. В частности, совместно со специалистами EAWAG (Швейцария) ежегодно (в том числе и в 2012 году) выполнялись работы по поиску, подъему и постановке автономных буйковых станций для комплексного изучения процесса седиментации. Станции оснащены автоматическими и открытыми седиментационными ловушками, измерителями температуры, термистерными косами и измерителями скорости течений. Выполнены монтаж и постановка на долговременную эксплуатацию (апрель 2012 – март 2013 г.г) аппаратуры для исследования в непрерывном режиме гидрологических и оптофотометрических свойств озера (давление, скорость и направление течений, скорость звука, температура, показатели поглощения и рассеяния, индикатриса рассеяния, уровень собственного свечения) на разных горизонтах, Совместно со специалистами ИЗМИРАН была установлена автономная буйковая станция с аппаратурой для изучения вариаций вертикальной компоненты электрического поля Земли.

Наряду с подледным детектором IceCube на Южном полюсе и введенным в строй в 2008 году глубоководным детектором ANTARES в Средиземном море, Байкальский глубоководный нейтринный телескоп является на сегодняшний день одним из трёх крупнейших в мире по своей эффективной площади и эффективному объёму действующих детекторов нейтрино высоких энергий.

6.2 Проблема геофизических нейтрино

Проведены расчёты потока геонейтрино и оценена скорость счёта детектора в расчёте на 10^32 ядер протонов в год (так называемые единицы TNU — Terresrtial Neutrino unit). Исследовано влияние потока антинейтрино от ядерных реакторов. В 2012 г. было сделано открытие последнего неизвестного элемента матрицы смешивания нейтрино θ13, оно оказалось довольно большим 0.09-0.11. На основании нового значения были произведены перерасчёты потоков, которые оказались в пределах расчётной погрешности сходны с ранее полученными результатами.


Таблица 1 - Ожидаемые скорости счёта реакции + p  e + n в разных точках Земли в суммарном потоке от распадов U и Th (с учетом осцилляций) в единицах TNU (1 TNU  1 событие в год в мишени, содержащей 1032 протонов). Отношение R скорости счёта фона реакторных антинейтрино Nreactor к скорости счёта событий геонейтрино Ngeo в диапазоне энергий геонейтрино. Приведена глубина расположения детектора.

Местоположение


Глубина м в.э.



Скорость счета , TNU

R =



[10] [12]

Наш расчёт без ядра

Наш с ядром

Hawaii (США)

 4000

13.4 12.5

13.6

19.8

0.1 [10]

Kamioka (Япония)

2700

36.5 34.8

30.2

36.4

6.7 [10]

Gran Sasso (Италия)

3700

43.1 40.5

38.7

44.9

0.9 [14, 15]

Sudbury (Канада)

6000

50.4 49.6

48.7

54.9

1.1 [10]

Pyhäsalmy (Финляндия)

4000

52.4 52.4

51.5

57.7

0.5 [10]

Baksan (Россия)

4800

55.0 51.9

52.7

58.9

0.2 [1, 16]

Учитывая как наши предыдущие и настоящие исследования, так и опыт других экспериментов рассмотрен целый ряд органических растворителей и окончательно выбран в качестве растворителя линейный алкилбензол (ЛАБ). ЛАБ обладает низкой токсичностью и высокой температурой вспышки (> 100°C). Он производится в больших количествах на отечественных заводах при достаточно низкой стоимости.

Были исследованы свойства ЛАБа, химический состав и прозрачность

Прозрачность раствора, используемого в сцинтилляционных детекторах большого объёма, играет определяющую роль для эффективности регистрации событий с малым энерговыделением (~1 МэВ). В связи с этим исследование прозрачности ЛАБа производилось непрерывно в течение всего времени работы над проектом. Отечественное производство (OOO "Кинеф", Кириши) может обеспечить требуемое количество ЛАБ. Его прозрачность составляет на длине волны 420нм = 4.3 м и является стабильной в пределах 15%. Очистка на колонке с оксидом алюминия (производства Донецкого завода хим. реактивов ТУ 6-09-3916-75) позволяет довести прозрачность до 14,5-15 м

Полученное значение прозрачности является стабильным за всё время исследований (около 2-х лет) как при хранении в химически чистой посуде, так и в контакте с различными конструкционными материалами (акрил, нержавеющая сталь) в пределах точности измерения порядка нескольких процентов.

Работу над всеми, вышеупомянутыми вопросами, предполагается продолжить в следующем году и на основании полученных результатов выдать техническое задание на проект установки для очистки ЛАБа в требуемых количествах на БНО и обеспечения его непрерывной поставки

Вторым важным параметром сцинтиллятора является световой выход.

В качестве эталона использовался РС - псевдокумол с добавкой РРО 1.5 г/л, его световыход составляет 11500 фотонов/МэВ, который залит в детектор Borexino.

Найдено, что оптимальным является использование ЛАБа с добавкой PPO 2г/л, обеспечивающей световой выход ~80% от эталона, что соответствует ~9000 фотонов/МэВ и удовлетворяет поставленным условиям. Полученное значение является стабильным (с точностью ~2%) как при стандартной температуре (~20С), так и при изменении температуры на 15С выше и ниже нормальной.

В случае необходимости возможно повышение световыхода до 90% с использованием смеси РС(20%)-ЛАБ(80%) с активатором ВРО(2 г/л).

Временные параметры сцинтилляционной вспышки

Малое время высвечивания сцинтиллятора является важным фактором для улучшения пространственного разрешения детектора. Проведена серия измерений временных характеристик сцинтиллятора, отличающихся по составу растворителя и сцинтилляционных добавок (12 вариантов). При этом было проведено сравнение результатов полученных для ЛАБа отечественного производства (Кинеф, Кириши, Россия) и фирмы PETRESA (Канада). Результаты измерений: ЛАБ ~ 38 нс, ЛАБ(РРО-2 г/л) ~ 5.5 нс, ЛАБ(РРО-2 г/л, bisMSB-50 мг/л) ~ 6.3 нс. Полученные результаты будут использованы для расчета пространственного разрешения полномасштабного детектора.

Важной проблемой при создании детектора, предназначенного для детектирования слабых нейтринных потоков при низком пороге регистрации (~ 100 кэВ является), снижение фона от радиоактивных элементов, содержащихся как в самом сцинтилляторе, так и в окружающих конструкционных материалах. На настоящей стадии получены верхние пределы содержания в сцинтилляторе на основе ЛАБа U < 2x10E-13 г/г (U), Th <1x10E-13 г/г(Th). Для исследования возможности дальнейшего повышения чувствительности и отработки технологии глубокой очистки сцинтиллятора от U и Th и элементов их радиоактивных рядов была разработана и сконструирована специальная модельная установка. Установка рассчитана на объём ~ 30 л сцинтиллятора. На установке предусмотрено пропускание ЛАБа через колонку, заполненную окисью алюминия (очистка от примесей, влияющих на прозрачность жидкости), а также проведение водно-жидкостной экстракции, для удаления ионов металлов (в том числе U, Th, K). На установке дополнительно размещена колонка с окисью кремния, для исследования возможности сорбционной очистки ЛАБа от примесей U, Th и элементов их рядов.

Для проверки эффективности различных способов очистки растворителя и его компонентов от примесей, разработана методика приготовления проб для ICP-MS анализа. Эта методика позволяет концентрировать ионы металлов в ~ 1000 раз и таким образом увеличить чувствительность анализа. Также на этой установке собрана система для барботирования 30 л жидкости газом (азот, аргон), с целью последующего улавливания извлечённого радона и криптона на холодной угольной ловушке. Регистрация альфа частиц от распада Rn-222 в низкофоновом пропорциональном счётчике позволит проводить измерения содержания Ra-226(U-238) в сцинтилляторе. Ожидаемая чувствительность в измерении концентраций U/Th до ~ 10E-16 г/г.

Предложена гипотеза образования радиоактивного изотопа 14С в нефтяных месторождениях. Она требует экспериментальной проверки. В случае подтверждения, будет возможно изготовление жидкого сцинтиллятора либо совсем без 14С, либо с пониженным содержанием, что позволит снизить экспериментальный порог и измерить спектр солнечных нейтрино от р-р реакции, что должно окончательно подтвердить существующую стандартную солнечную модель.

Эксплуатация детекторов Borexino, KamLAND, а также эксперименты, выполненные на R&D стадии проекта LENS, показали, что растворители жидких органических сцинтилляторов (ЖОС) содержат радиоактивный изотоп 14С (радиоуглерод) с концентрацией R(14C/12C) ~ 2x10E-18 - 10E-17 г/г. Радиоактивный фон от распада 14С не позволяет производить нейтринные измерения при энергиях ниже 250 кэВ. Это ограничение, в свою очередь, не дает возможность в полной мере измерить поток солнечных нейтрино от рр реакции, точное знание которого необходимо как для построения последовательной картины цикла выделения солнечной энергии, так и для детальной проверки гипотезы осцилляций солнечных нейтрино.

В настоящем проекте начата работа как по определению источника происхождения 14С в ЖОС, так и по поиску органических растворителей с низким содержанием 14С. Был выполнен расчет скорости образования 14С в нефти глубокого залегания под действием ядерных реакций от альфа-частиц рядов U и Th и нейтронов горных пород. Показано, что при максимальных предположениях содержание 14С не может быть больше чем R(14C/12C)< 10xE-20 - 10xE-21. Это открывает возможность создания ЖОС с существенно более низким содержанием 14С. На первом этапе, основываясь на нашей работе, создана установка для предварительного измерения 14С в ЖОС. Установка представляет собой оптическую ячейку размером 20см х 10см х10см, выполненную из органического стекла с повышенной химической стойкостью с толщиной стенок 10 мм. Ячейка с двух сторон, через световоды, просматривается двумя фотоумножителями включёнными в схему совпадений. Чтобы измерить концентрацию С-14 на уровне 10хЕ-18, фон сцинтилляционной ячейки в области 20-200 кэВ должен быть на уровне мБк. Для достижения такого уровня фона, ячейку планируется разместить в низкофоновой, герметичной пассивной защите в одной из подземных лабораторий БНО ИЯИ РАН.

Исследование содержание 14С может иметь важное и интересное прикладное значение в процессах происхождения нефти.

Выбор фотодетектора

Существуют два подхода в разработках оптических модулей, находящихся в водной среде.

В первом подходе, (Super-KAMIOKANDE-I, SNO) фотоумножители не имеют специальной защитной оболочки. Делитель напряжения питания устанавливается непосредственно на цоколе фотоумножителя и вместе с закрепленным на нем концом сигнального коаксиального кабеля и прилегающей частью стеклооболочки фотоумножителя герметизируются высоковольтным кремнийорганическим клеем. Высоковольтное питание подается к фотоумножителю по тому же коаксиальному кабелю, по которому передается и сигнал.

Во втором подходе, (BOREXINO, GERDA) фотоумножитель отделен от непосредственного контакта с водой герметичным корпусом оптического модуля, который представляет собой корпус из нержавеющей стали и иллюминатора из полиэтилентерефталата (PET). Пространство между корпусом оптического модуля и фотоумножителем, кроме делителя напряжения питания, заливается минеральным маслом, неагрессивным к стеклу.

Оба подхода имеют свои конструктивные и эксплуатационные преимущества и недостатки.

На первом этапе проектирования предполагается выбрать первый вариант, как существенно более простой в изготовлении. Учитывая большую поверхность детектора в качестве фотоумножителя предполагается использовать ФЭУ с наибольшим катодом (R7250 и R3600 Hamamatsu Photonics). В случае достаточного финансирования проект предполагает создание экспериментальной ячейки и измерение ее характеристик и долговременной стабильности

Рассмотрен канал происхождения 14С в ЖОС, связанный с влиянием СО2 в сцинтилляторе. Измерена растворимость СО2 в ЛАБе, РХЕ и додекане. Эта величина составила:1.18,1.28 и 1.16, соответственно.

С помощью хромато-масс спектрометрического анализа определён элементный состав ЛАБа, который является смесью различных углеводородов с общей формулой С6H5R1R2. Это позволило определить концентрацию атомов водорода и углерода в сцинтилляторе на основе ЛАБа. Отношение Н/C ~ 1.6.

Получены результаты по стабильности и совместимости сцинтиллятора с конструкционными материалами (органическое стело, нержавеющая сталь).

6.3 Первичные чёрные дыры в ранней Вселенной и космологические следствия их рождения

Было показано, что эффективное рождение ПЧД возможно, в частности, в тех космологических сценариях, в которых в инфляционном расширении участвуют два скалярных поля (так называемые двухполевые модели инфляции). Конкретно, была исследована модель гибридной инфляции (и было показано, что ПЧД могут рождаться в процессе лавинообразного перехода в конечной стадии инфляции) и «курватонная» модель, в которой, кроме инфлатона, имеется дополнительное скалярное поле, определяющее конечную амплитуду спектра флуктуаций плотности. Было показано, что характерной особенностью первичных флуктуаций плотности и кривизны в этих моделях является то, что их распределения не гауссовы. С учётом этого обстоятельства были произведены расчёты распределений рождающихся ПЧД по массам, а также получены ограничения на модельные параметры (в частности, на параметры инфляционного потенциала в модели гибридной инфляции и на характеристики курватона). Результаты этих исследований доложены на международном семинаре «Кварки-2012» и на 55–й научной конференции МФТИ (ноябрь 2012 года) и опубликованы в работах [26-28].

6.4 Фотоядерные взаимодействия лептонов при сверхвысоких энергиях

Проведены вычисления (в рамках двухкомпонентной модели, разработанной авторами ранее) электромагнитных структурных функций нуклона для процесса глубоко-неупругого рассеяния, в кинематическом пределе Редже – Грибова (малые передачи 4-импульса, большие передачи энергии - эта кинематическая область важна в экспериментах с мюонами космических лучей). Показано, что в этом пределе для удовлетворительного описания структурных функций необходимо учитывать непертурбативный характер взаимодействия. В модели, предложенной авторами, непертурбативная часть взаимодействия описывается моделью векторной доминантности, в её модифицированном варианте, учитывающем, в частности, радиальные возбуждения векторных мезонов. Работа доложена на международном 23-м Симпозиуме по космическим лучам (Москва, июль 2012 года) и опубликована в [29].








Поделитесь с Вашими друзьями:


База данных защищена авторским правом ©vossta.ru 2019
обратиться к администрации

    Главная страница