Диссертация (Исследование свойств нейтрино низких энергий, испускаемых искусственными источниками), страница 6

Смешивание представляется следующим образом:⎛⎞⎛1 2 3 4⎜⎟ ⎜⎜ ⎟ ⎜ ⎜⎟ ⎜ 1 2 3 4⎜⎟=⎜⎜ ⎟ ⎜ 1 2 3 4⎝⎠ ⎝1 2 3 4⎞ ⎛1⎞⎟ ⎜⎟⎟ ⎜ ⎟2⎟ ⎜⎟⎟·⎜⎟⎟ ⎜ 3 ⎟⎠ ⎝⎠4(2.19)Вклад стерильных нейтрино в осцилляции существенен только для экспериментов с короткойбазой (SBL).

В этом приближении |4 | ≪ 1, |4 | ≪ 1, | 4 | ≪ 1, |4 | ≃ 1.Для данной схемы смешивания предполагается следующая иерархия масс:Δ221 ≪ |Δ231 | ≪ Δ241 ,предполагается, что Δ241 не превосходит 10 эВ2 [43].29В приближении SBL вероятность перехода одного флэйвора нейтрино (антинейтрино) в другой выражается как [44](−)(−) ( → ′ ) = sin2 2Θ′ sin2(︁ Δ2 )︁41,4(2.20)где , ′ – , , . Отметим схожесть данного выражения с выражением (2.14). Вероятность выживания флэйвора определяется выражением:(−)(−) ( → ) = 1 − sin2 2Θ sin2(︁ Δ2 )︁414(2.21)Члены sin2 2Θ′ и sin2 2Θ не содержат фазу СР-нарушения , поэтому определить её значениев SBL экспериментах с присутствием стерильных нейтрино для схемы 3+1 невозможно. Такженеобходимо отметить, что вероятности осцилляций в обоих случаях определяются наибольшейразностью квадратов масс Δ241 .2.3.2Схема смешивания 3+2Схема 3+2 предполагает наличие двух массивных нейтрино с собственными массовыми состояниями 4 и 5 с массами в районе нескольких электроновольт.

Матрица смешивания в этомслучае расширяется до 5 × 5. Данная схема является менее вероятной, в отличие от 3+1, из-затеории нуклеосинтеза после Большого Взрыва, дающей ограничение на количество флэйворовнейтрино ≤ 4 [45]. Тем не менее, результаты эксперимента MiniBooNE наиболее успешноописываются, именно, схемой 3+2.Вероятность выживания флэйвора для данной схемы определяется выражением [44]:(−)(−) ( → ) = 1 − 4(1 − |4 |2 − |5 |2 )(|4 |2 sin2 41 + |5 |2 sin2 51 ) − 4|4 |2 |5 |2 sin2 54 ,где = Δ2 /4.К основным достоинствам данной схемы необходимо отнести возможность определения фазыСР-нарушения в экспериментах с изменением флэйвора. В то же время, к основным минусамнужно отнести увеличенное количество неизвестных параметров в матрице смешивания.30Глава 3Детекторы нейтрино на основе жидкогосцинтиллятора3.1Свойства жидкого сцинтиллятора и каналы регистрацииЖидкий сцинтиллятор – это раствор молекул органического сцинтиллятора в прозрачнойжидкости, слабо поглощающей сцинтилляционное излучение.

Базовый принцип регистрациичастицы, пролетающей сквозь сцинтиллятор, заключается в возбуждении молекул, которое, всвою очередь, затем конвертируется в электромагнитное излучение видимого и ультрафиолетового диапазонов. Фотоны данного излучения испускаются изотропно. Интенсивность данногоизлучения спадает в соответствии с экспоненциальным законом.Перечислим основные преимущества органического жидкого сцинтиллятора, которые благоприятствуют его использованию в нейтринной физике.– Малое время высвечивания порядка 10−8 –10−9 с, а также сравнительно небольшое мёртвоевремя (десятки – сотни наносекунд).– Хорошая прозрачность для собственного излучения, которая характеризуется длиной поглощения 10–20 м.– Возможность использования в ёмкостях любой геометрии и объёма.– Высокая эффективность конвертации кинетической энергии частицы в излучение сцинтиллятора, световыход составляет порядка 104 фотонов на 1 МэВ энергии.– Масса вещества может достигать сотен килотонн, которая при этом никак не сказываетсяна его свойствах.– Значительная концентрация свободных протонов, необходимых для реакции обратныйбета-распад.– Возможность добавления присадок, например Gd, для улучшения регистрации нейтроновот реакции обратного бета-распада.31– Низкий порог регистрации, составляющий около 200 кэВ.

Данный порог вызван наличием изотопа14С в составе сцинтиллятора, у которого граничная энергия сплошного бета-спектра составляет 156 кэВ.– Относительная безопасность вещества и его низкая токсичность.– Не является дорогим в процессе эксплуатации.Все перечисленные преимущества, говорят о том, что жидкий сцинтиллятор является наиболееподходящим наполнителем для нейтринных детекторов. На сегодняшний день жидкий сцинтиллятор успешно функционирует в таких детекторах как Borexino (278 тонн) [46], KamLAND(1 килотонна) [47] и др.

Наиболее распространёнными жидкими сцинтилляторами на данныймомент являются: LAB, PXE и С12, их характеристики отображены в Таблице 3.1 [48].Таблица 3.1: Свойства некоторых сцинтилляторов, применяемых в нейтринной физикеназваниеформулаLABPXEC12C18 H30C16 H18C12 H26плотность,кг/м3863986749число p,1028 /м36.64.77.0длинапоглощения, м201212показательпреломления1.491.571.42времявысвеч-ия, нс4.64.6–Рассмотрим основные каналы регистрации нейтрино низких энергий в жидком сцинтилляторе.3.1.1Упругое рассеяниеОсновной реакцией здесь является рассеяние всех трёх типов нейтрино (антинейтрино) наэлектронах сцинтиллятора, которое идее за счёт нейтрально тока (NC). Данная реакция похожана комптоновское рассеяние фотонов на электронах.

Помимо этого, для существует возможность рассеяния через заряженный ток (СС), + − → + −Этим и объясняется доминирование данной реакции при рассеянии всех типов нейтрино. Сечение упругого рассеяния на электронах может быть выражено в виде = 0.92 × E [MeV] ·10−44 cm2 [49], которое отклоняется от линейной зависимости при энергиях нейтрино меньше 1МэВ.

С помощью данной реакции можно определить процентное содержание в общем потокевсех типов нейтрино, что и применяется при регистрации солнечных нейтрино.Также к упругим реакциям относятся рассеяние нейтрино на протонах (нейтронах) сцинтиллятора. Однако данная реакция имеет значительно меньшее сечение, а энергии нейтрино,необходимые для осуществления данного процесса, выходят за рамки низкоэнергетичных нейтрино.323.1.2Обратный бета-распадДанный процесс является «золотой реакцией» всей нейтринной физики, в результате которого происходит захват электронного антинейтрино свободным протоном сцинтиллятора, послечего образуется нейтрон и позитрон.

Порог реакции для энергии составляет 1.8 МэВ.¯ + → + +Образовавшийся позитрон уносит большую часть кинетической энергии от входящего ¯ и в результате аннигиляции с электронами сцинтиллятора образует первый (быстрый) сигнал в детекторе, после чего свободный нейтрон, превращаясь в дейтрон, испускает гамма квант с энергией2.2 МэВ, образуя тем самым второй сигнал в детекторе (задержанный) со временем задержкипорядка 250 мкс от быстрого сигнала. Именно наличие быстрого и задержанного сигналов является характерной ”подписью” реакции обратного бета-распада. Зависимость сечения реакцииот энергии ¯ может быть аппроксимирована следующим выражением [50]: = 9.5 × (E [MeV] − 1.29)2 · 10−44 cm2Для увеличения эффективности регистрации задержанного сигнала от нейтрона может бытьиспользован гадолиний в качестве примеси к основному сцинтиллятору [51].

В этом случаеэнергия, высвобождаемая при захвате нейтрона ядром гадолиния, составляет около 8 МэВ.3.1.3Реакции на углеродеПервая возможность – это реакции на изотопе12С, две из которых осуществляются посред-ством СС- и одна через NC-канал. Для СС реакции характерен последующий бета-распад образовавшегося нуклида со временем задержки относительно эмиссии + или − порядка 10-20 мс.Через NC осуществляется рассеяние всех трёх типов нейтрино (антинейтрино). Общая информация по данным реакциям отражена в Таблице 3.2.Таблица 3.2: Характеристики реакций с нейтрино на 12 СCCCCпорог,МэВ17.3413.37времязадержки, мс1120.2 для = 20 МэВ,10−44 см228.771.1NC15.11–29.1реакциятип( , − )12 12(¯ , + )12 1212(−) (−)( , )12 *333.2Нейтринный детектор LENAДанный детектор является одним из первых нейтринных детекторов нового поколения, разработанным в рамках проекта LAGUNA-LBNO. Название LENA (Low Energy Neutrino Astronomy)[48] расшифровывается как низкоэнергетичная нейтринная астрономия.Рисунок 3.1: Схематическое представление детектора LENAФорма детектора представляет собой продолговатый цилиндр.

В качестве активного вещества используется жидкий сцинтиллятор (LAB) в количестве 50 кт, который располагается вовнутреннем цилиндре с радиусом 14 м и высотой 98 м, как это показано на Рисунке 3.1. Вокругцилиндра располагаются 12-дюймовые ФЭУ в количестве 3·104 , которые будут вмонтированыв стальной каркас радиусом 14 м. Также возможно использование 8- или 10-дюймовых ФЭУ.Из-за большого давления на дно и стенки детектора, все ФЭУ помещены в специальные защитные оболочки, способные выдержать данное давление.

Область между внешним и внутренним цилиндрами будет заполнена дистиллированной водою. Этот слой воды служит защитой отвнешней радиоактивности, идущей от горных пород и космического излучения. Минимальнаятолщина слоя воды должна составлять 2 м.На верхней крышке детектора водяной слой отсутствует, поэтому здесь будет использованособый мюонный вето-детектор, основу которого будет составлять пластиковый сцинтиллятор.После мюонного вето будет располагаться помещение с контролирующим оборудование дляэксперимента.

В итоге суммарная высота всего детектора будет составлять 115 м.Энергетическое разрешение для детектора LENA составляет 6.1% для энергии 1 МэВ, позиционное разрешение – 8 см для той же энергии.34Главным кандидатом на расположение детектора LENA является шахта в Пихасалми (Финляндия). Ёе глубина составляет 1400 м, что способствует уменьшению потока космических мюонов до 0.2 м−2 ч−1 , что в 5 раз меньше чем на существующем детекторе Borexino.Основные задачи:– Исследование космических нейтрино, идущих от солнца и звёзд.– Определение процентного содержания радиоактивных изотопов в земной коре, мантии иядре, при помощи детектирования гео-нейтрино.– Поиск распада протона.– Эксперименты с длинной базой нейтринного пучка по определению СР-нарушения и массовой иерархии.– Эксперименты с короткой базой, также направленные на поиск СР-нарушения.– Поиск стерильных нейтрино, с применением методов нейтринной осциллометрии.– Исследование двойных безнейтринных бета-процессов.– Поиск возможных проявлений Новой Физики.3.3Нейтринный детектор HELENAНа сегодняшний момент статус детектора LENA остаётся неопределённым, и для ряда важных задач нейтринной физики, таких как массовая иерархия и фаза СР-нарушения, предлагаемаямасса детектора 50 кт оказывается недостаточной для наблюдения данных эффектов с уровнемзначимости 5.