Автореферат (Исследование свойств нейтрино низких энергий, испускаемых искусственными источниками)

На правах рукописиСмирнов Михаил ВладимировичИсследование свойств нейтрино низких энергий,испускаемых искусственными источникамиСпециальность 01.04.16 —«Физика атомного ядра и элементарных частиц»Авторефератдиссертации на соискание учёной степеникандидата физико-математических наукСанкт-Петербург — 2015Работа выполнена в Санкт-Петербургском государственном университетеНаучный руководитель:доктор физико-математических наук, профессорНовиков Юрий НиколаевичОфициальные оппоненты: Чечев Валерий Павлович,доктор физико-математических наук,Радиевый институт им.

В.Г. Хлопина (СанктПетербург),ведущий научный сотрудникГин Дмитрий Борисович,кандидат физико-математических наук,Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе РАН(Санкт-Петербург),старший научный сотрудникВедущая организация:Лаборатория Ядерных проблем Объединённого Института Ядерных Исследований (Дубна)Защита состоится2016 г. вчасов на заседании диссертационногосовета Д 212.232.16 на базе Санкт-Петербургского государственного университета по адресу: 199004, Санкт-Петербург, В.О., Средний пр., д. 41/43, Институтнаук о Земле, ауд. 304.С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке им. М. Горького СПбГУ.Автореферат разосланУченый секретарьдиссертационного советаД 212.232.16, к.ф.-м.н., доцент2016 г.Власников А.К.Общая характеристика работыАктуальность темы.

Нейтринная физика находится на стадии бурногоразвития. За последние два десятилетия были сделаны важные открытия в данной области физики элементарных частиц, самое значимое из которых – эторегистрация явления нейтринных осцилляций. Данное явление подтвердило гипотезу наличия массы у нейтрино, что потребовало расширения существующейСтандартной Модели (СМ) [1] физики элементарных частиц.Нейтрино является второй по распространённости частицей во Вселенной, и в то же время наиболее загадочной из всех элементарных частиц, известных на сегодняшний день. Оно участвует лишь в слабом и гравитационномвзаимодействиях с типичным сечением взаимодействия с веществом порядка10−20 барн.

Несмотря на прогресс в нейтринной физике, многие свойства нейтрино пока остаются неизвестными. К ним можно отнести абсолютную массупокоя этой частицы, тип частицы (дираковская или майорановская), количествопоколений.Законы сохранения и фундаментальные симметрии также требуют проверки в нейтринном секторе. Один из таких законов, сохранение отдельных лептонных чисел, не выполняется при нейтринных осцилляциях.Весь перечисленный спектр вопросов требует глубокого исследованияфизических свойств и природы нейтрино в различных диапазонах нейтринныхэнергий. Ряду перечисленных первостепенных проблем относятся исследования,проведённые автором диссертации.

Актуальность их заключается и в том, чтодаются конкретные рекомендации в использовании нейтринных детекторов ближайшего будущего, которые призваны решить многие проблемы этой областифизики.Целью данной работы является:1. Вычисление позиционного и энергетического разрешений гигантского нейтринного детектора HELENA для области низких энергий нейтрино.2. Определение чувствительности детекторов JUNO, RENO, LENA к регистрации СРТ-нарушения с использованием метода нейтринной осциллометрии. Исследование возможности наблюдения данного нарушения в сравнительных экспериментах с нейтрино и антинейтрино от искусственных источников.3. Исследование процесса безнейтринного двойного е-захвата, включающее всебя проведение эксперимента по определению разностей масс в изобарных триплетах на ионной ловушке SHIPTRAP (GSI), с целью установления3наиболее подходящего кандидата для поиска безнейтринного двойного езахвата.

Последующая обработка полученных экспериментальных данных.Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующиезадачи:1. Создать модель детектора HELENA на основе существующей модели детектора LENA, разработанной на основе программного пакета Geant4, широко используемого при моделированиях в физике элементарных частиц;2. Использовать метод Монте-Карло и статистический анализ для оценки характеристик детектора (энергетическое и позиционное разрешения) в области низких энергий нейтринного спектра;3.

На основе метода Монте-Карло провести анализ чувствительности нейтринных детекторов JUNO, LENA, RENO к регистрации СРТ-нарушенияс использованием гипотезы о существовании стерильных нейтрино;4. Провести серию экспериментальных измерений разностей масс нуклидовиз изобарных триплетов с применением прецизионного масс-спектрометра(ионной ловушки Пеннинга).Основные положения, выносимые на защиту:1. Моделирование на основе метода Монте-Карло с применение программных пакетов Geant4 и ROOT (пакет для анализа данных, разработанный вЦЕРНе), позволившее оценить энергетическое и позиционное разрешениядетектора HELENA в низко энергетичной части нейтринного спектра.2.

Анализ чувствительности к СРТ-нарушению для трёх нейтринных детекторов (JUNO, RENO, LENA) с использованием метода Монте-Карло и применение программного пакета ROOT.3. Предложение и анализ проверки СРТ-инвариантности в одном эксперименте с использованием и нейтрино, и антинейтрино, при возможности одновременного проведения измерений.4. Определение максимальной чувствительности детекторов к СРТнарушению, приводящему также к СР-нарушению в методе нейтриннойосциллометрии.5. Постановка эксперимента по измерению разностей масс в изобарных триплетах на ионной ловушке SHIPTRAP (GSI, Германия).4∙ Разработка нового метода определения разности масс по калибровочному дочернему (материнскому) иону, которая позволила достичь точность в районе 100 эВ.∙ Последующая обработка полученных экспериментальных данных, позволившая значительно улучшить существующие данные из AME(Atomic Mass Evaluation-2012) для следующих нуклидов: 124 Sn, 124 Xe,130Ba, 136 Ce.6. Предложение для поиска двойного безнейтринного е-захвата в 124 Xe с использованием гигантского нейтринного детектора следующего поколения.Научная новизна1.

Впервые была сделана оценка характеристик гигантского нейтринного детектора HELENA для низко энергетичного нейтринного спектра.2. Впервые сделано предложение по проверке СРТ-инвариантности в прямоми одновременном эксперименте с нейтрино и антинейтрино на основанииметода нейтринной осциллометрии с применением строящихся детекторовиз жидкого сцинтиллятора.3. Впервые предложен метод по одновременному и прямому измерению разностей масс для дочернего и материнского нуклидов в ионной ловушке.4. Впервые сделано предложение по поиску безнейтринного двойного езахвата в 124 Xe с применением гигантского нейтринного детектора.Практическая значимость диссертационной работы определяется конкретными предложениями по исследованию свойств нейтрино и процессов, связанных с ним, в нейтринных проектах RENO и JUNO, которые приняты к реализации. Помимо этого, новый метод одновременного измерения разностей масснуклидов сможет дать новый импульс дальнейшим измерениям разностей масснуклидов на уже имеющихся ионных ловушках.Апробация работы.

Основные результаты по теме диссертации изложены в 4-х публикациях в журналах, рекомендованных ВАК, 5 представлены втезисах докладов. Публикации в реферируемых журналах:∙ D.A. Nesterenko, K. Blaum, M. Block, C. Droese, S. Eliseev, F. Herfurth, E.Minaya Ramirez, Yu.N. Novikov, L. Schweikhard, V.M.

Shabaev, M.V. Smirnov,I.I. Tupitsyn, K. Zuber, and N.A. Zubova, Double- transformations in isobarictriplets with mass numbers A = 124, 130, and 136 // Phys. Rev. C 86 044313,(2012).5∙ K.K. Loo, D. Bick, T. Enqvist, D. Hellgartner, M. Kaiser, S. Lorenz, M. Meloni,M. Meyer, R. Möllenberg, L. Oberauer, M. Soiron, M. Smirnov, A. Stahl,W.H. Trzaska, B. Wonsak, M. Wurm, Neutrino flavor sensitivity of large liquidscintillator detectors // Physics Procedia 61 488, (2015).∙ M.

Wurm, D. Bick, T. Enqvist, D. Hellgartner, M. Kaiser, K.K. Loo, S. Lorenz,M. Meloni, M. Meyer, R. Möllenberg, L. Oberauer, M. Soiron, M. Smirnov,W.H. Trzaska, B. Wonsak, Low-energy neutrino astronomy in LENA // PhysicsProcedia 61 376, (2015).∙ M.V. Smirnov, K.K. Loo, Y.N. Novikov, W.H. Trzaska and M. Wurm, Asearch for neutrino-antineutrino mass inequality by means of sterile neutrinooscillometry // Nucl.

Phys. B 900 104, arXiv:1505.02550 [hep-ex], (2015).Основные результаты работы докладывались на конференциях и семинарах:WE-Heraeus Seminar on ”Exploring the Neutrino Sky and Fundamental ParticlePhysics on the Megaton Scale“, (Германия, Бад-Хоннеф, 2013); Physics Days 2014,(Финляндия, Тампере, 2014); КМУС 2014, (Россия, Санкт-Петербург, ПИЯФ,2014); ОМУС 2015, (Россия, Дубна, 2015); Physics Days 2015, (Финляндия, Хельсинки, 2015); Доклад на семинаре ОФВЭ, (Россия, Санкт-Петербург, ПИЯФ,2015); TAUP-2015, (Италия, Турин, 2015).Объем и структура диссертации.