Диссертация (1149585), страница 2
Текст из файла (страница 2)
Вычисление позиционного и энергетического разрешений гигантского нейтринного детектора HELENA для области низких энергий нейтрино.2. Определение чувствительности детекторов JUNO, RENO, LENA к регистрации СРТнарушения с использованием метода нейтринной осциллометрии.3. Исследование процесса безнейтринного двойного е-захвата, включающее в себя проведение эксперимента по определению разностей масс в изобарных триплетах на ионнойловушке SHIPTRAP (GSI), с целью установления наиболее подходящего кандидата дляпоиска безнейтринного двойного е-захвата.
Последующая обработка полученных экспериментальных данных.В первой главе рассказывается о нейтрино, его свойствах, развитии нейтринной физики. Даётся классификация нейтринных источников низких энергий с описанием их потоков и энергий.Вторая глава посвящена рассмотрению явления нейтринных осцилляций, природы массынейтрино, описано влияние среды на осцилляции. Вводится понятие стерильного нейтрино иего связи с осцилляциями.В третьей главе даётся описание свойств жидкого сцинтиллятора и его применении внейтринной физике. Описываются основные каналы регистрации нейтрино (антинейтрино) вжидком сцинтилляторе. Даётся обзор планируемых к постройке килотонных детекторов на основе этого вещества.
Показан расчёт позиционного и энергетического разрешений детектораHELENA.В четвёртой главе рассматривается вопрос исследования CPT-нарушения в рамках методанейтринной осциллометрии с использованием стерильных нейтрино. Показывается чувствительность детекторов JUNO, RENO, LENA к проявлению данного нарушения.Пятая глава включает в себя описание теории безнейтринного двойного е-захвата, а такжесписок кандидатов для наблюдения этого процесса.В шестой главе рассматривается теория ионной ловушки Пеннинга. Показаны принципыработы экспериментальной установки SHIPTRAP.
Описываются измерения разностей масс визобарных триплетах. Исследуется возможность использования нуклида124Xe в качестве кан-дидата для поиска безнейтринного двойного е-захвата с применением гигантского нейтринногодетектора будущего поколения.7В заключении даётся краткое описание полученных результатов, делаются выводы, представлены пункты, которые выносятся на защиту. Отмечается актуальность и новизна исследования.В приложении показан пример анализа нейтринного спектра для детектора LENA.8Глава 1Нейтрино и нейтринные источники низкихэнергий1.1Введение в физику нейтриноНейтрино – одна из самых распространённых, и в тоже время, слабо изученных фундаментальных частиц нашей вселённой. Эта частица, как показали многочисленные эксперименты,практически не взаимодействует с веществом, что приводит к определённым трудностям при еёидентификации.Впервые идея существования нейтрино была высказана В.
Паули в 1930 году. На тот момент времени, физика не могла описать спины некоторых ядер, а также не могла описать наличие непрерывного спектра электронов при бета-распаде, согласно тогдашним представлениямспектр должен был быть моноэнергетичным, однако эксперимент давал противоположный результат. Для решения этих двух задач Паули предположил, что существует нейтральная частицас малой массой, которая практически не взаимодействует с веществом, иначе бы она уже былазарегистрирована. Данная частица должна входить в состав ядер и испускаться при бета-распаде.После открытия нейтрона Д. Чедвиком в 1932 году [3], проблема спинов ядер была успешно решена.
Однако вопрос непрерывности бета-спектра оставался открытым. Решение даннойпроблемы было найдено Э. Ферми в 1933-34 годах [4]: он понял, что нейтрино не содержатся всвободном виде в ядре, а появляются вместе с электроном при бета-распаде одного из нейтроновядра → + − + ¯Именно Ферми впервые предложил использовать термин нейтрино, который дословно означал”маленький нейтрон”. Ему также принадлежит идея по измерению массы нейтрино, основаннаяна прецизионном измерении граничной энергии бета-спектра. Первые попытки измерения масснейтрино показали, что его масса как минимум на три порядка меньше массы электрона.Первое экспериментальное подтверждение существования нейтрино, а точнее антинейтрино,было получено в 1953 году из реакторного эксперимента Ф.
Райнеса и К. Коуэна [5]. Поток9антинейтрино от реактора регистрировался на протонах сцинтиллятора, в который также входили соли кадмия. В результате образовывались нейтроны и позитроны, которые впоследствии ирегистрировались. Таким образом, это было первое убедительное доказательство существованиянейтрино.После открытия антинейтрино, встал вопрос: является ли нейтрино истинно нейтральнойчастицей или нет. Для ответа на этот вопрос был предложен реакторный эксперимент, в котором в случае тождественности нейтрино и антинейтрино, должна была наблюдаться следующаяреакция:¯ +37 Cl →37Ar + −В 1955-56 годах Р. Дэвис пытался наблюдать данную реакцию на CCl4 , но его попытки неувенчались успехом [6]. Это явилось доказательством того, что нейтрино и антинейтрино разныечастицы, а также потребовало необходимости введения закона сохранения лептонного заряда.В это время была развита теория двухкомпонентного нейтрино, которая нашла экспериментальное подтверждение в измерении спиральности нейтрино при распаде152Eu.
Данный экспе-римент был выполнен Гольдхабером и др. в 1958 году [7]. В результате было установлено, чтонейтрино имеет отрицательную спиральность (спин частицы антипараллелен её импульсу), аэто в свою очередь указывало на V-A взаимодействие. В теории двухкомпонентного нейтринонейтрино было безмассовым.В 1957-58 годах Б. Понтекорво, основываясь на осцилляциях в нейтральных каонах, выдвинул идею нейтринных осцилляций, в которой нейтрино должно было осциллировать в процессесвоего распространения в антинейтрино [8]. Наличие осцилляций у нейтрино требовало наличиененулевой массы.В 1962 году в опытах Л. Ледермана было открыто второе поколение нейтрино – мюонноенейтрино [9]. В эксперименте, в результате бомбардировки бериллиевой мишени пучком протонов с энергией 15 ГэВ, образовывались ± мезоны, которые затем распадались на мюоны инейтрино.
Мюоны застревали в слое поглотителя, и в детектор попадали только нейтрино. Вдетекторе наблюдались только следующие реакции с образованием ± : + → − + ,¯ + → + + Ни одного события с образованием электрона (позитрона) не наблюдалось. Это явилось основанием того, что существует новый тип нейтрино, отличный от электронного нейтрино, которыйбыл назван мюонным нейтрино.Согласно экспериментам в CERN, из ширины распада Z0 бозона следует [10], что числопоколений нейтрино должно равняться трём. И действительно в 2000 году было открыто таунейтрино в эксперименте DONUT [11]. Таким образом, на сегодняшний день известно, что существуют три поколения нейтрино (электронное, мюонное и тау).
Все они являются нейтральными лептонами со спином 1/2. Экспериментальные измерения дают следующие ограниченияна их массы: ( ) ≤ 2.2 эВ; ( ) ≤ 0.16 МэВ; ( ) ≤ 18.2 МэВ [12]. Нейтрино имеют10очень маленькое сечение взаимодействия с веществом, которое составляет порядка 10−20 барн,и конечно, оно сильно зависит от энергии нейтрино. Энергетический спектр нейтрино принятоделить на две большие группы: нейтрино низких энергий (энергия меньше 100 МэВ) и нейтриновысоких энергий (энергия более 100 МэВ).
По своему происхождению нейтрино делятся на двекатегории: естественные и искусственные (созданные человеком).1.2Естественные источники нейтриноКак известно нейтрино является второй по распространённости частицей во Вселенной послефотона. Следовательно должны существовать мощные природные источники нейтрино, которыене созданы человеком.
Схематически низко энергетический спектр естественных нейтрино наЗемле представлен на Рисунке 1.1. Стоит отметить, что лишь незначительная часть атмосфер-Рисунок 1.1: Спектр низкоэнергетичных нейтрино, представленных на Земле, которыйвключает в себя солнечные нейтрино (pp, CNO, 7 Be, 8 B, hep), нейтрино от Сверхновых (SN,DSNB), гео-нейтрино и атмосферныеных нейтрино, образовавшихся в результате распадов ± и ± , приходится на область низкихэнергий нейтринного спектра, в то время как основная его часть располагается в области высоких энергий (более 100 МэВ).1.2.1Солнечные нейтриноСолнечные нейтрино образуются в результате горения водорода внутри Солнца.
Именно водород, являясь элементом с минимальным зарядом, способен преодолеть кулоновское отталкивание и вступить в реакцию слияния. Данный процесс может происходить благодаря квантовомеханическому явлению туннельного эффекта даже при солнечных температурах порядка ∼107 К. В результате слияния четырёх протонов должен образовываться 4 He. Впервые в работах11Бете и Вайцзеккера было показано [13, 14], что существуют два варианта образования 4 He –это рр-цикл и CNO-цикл. Для Солнца рр-цикл является доминирующим, а вклад CNO-циклане превышает нескольких процентов.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
