РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК

ПРОГРАММА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ

ПРЕЗИДИУМА РАН

Фундаментальные свойства материи и астрофизика

Научный отчет

за 2012 год

Москва 2012

«УТВЕРЖДАЮ»

Президент

Российской академии наук

академик Ю.С.ОСИПОВ

« » 2012г.

ПРОГРАММА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ

ПРЕЗИДИУМА РАН

Фундаментальные свойства материи и астрофизика

Научный отчет

за 2012 год

«Согласовано» «Согласовано»

Академик-секретарь Координатор программы

Отделения физических наук

академик В.А.Матвеев академик В.А.Матвеев

………………..(……………..) ……………….(………………)

Проект 1.1 «Галлий-германиевый нейтринный телескоп»

Руководитель: чл.-к. Гаврин В.Н.

а. Исследование нейтринного излучения Солнца. [1-4]

В соответствии с программой ежемесячных измерений потока солнечных нейтрино в 2012 году выполнено 12 извлечений на ГГНТ. Все извлечения установлены на измерения. Проведен первичный анализ данных 12 извлечений. Завершены измерения 7 извлечений, предварительный объединенный анализ данных 7 измерений 2012г. дает величину скорости захвата 69.7 +14.1/-13.1 (SNU).

За 23 -летний период наблюдений с января 1990 года по август 2012 года в эксперименте SAGE выполнено 220 измерений скорости захвата солнечных нейтрино (414 отдельных наборов данных). Это самый длительный период измерений среди всех действующих солнечных нейтринных экспериментов.

В энергетических диапазонах отобрано 4557 событий, из которых 1229 отнесено временным анализом к 71Ge.

Объединенный анализ данных измерений за 23-летний период измерений скорости захвата нейтрино с энергией выше 233 кэВ на 71Ga дает величину 64.8 +/-2.4(стат) +2.6/-2.8(сист) SNU или 64.8 +3.5/-3.7 SNU (солнечных нейтринных единиц). Суммарная ошибка результата составляет 5.6%.

Рис. 1. Результаты измерений, объединенных по годам; заштрихованная область соответствует объединенному результату SAGE 64.8 +/-2.4(стат) SNU. Вертикальные линии в каждой точке соответствуют статистической ошибке 68%, горизонтальные – временному интервалу объединенного анализа измерений.

С использованием результатов других солнечных нейтринных экспериментов и теории нейтринных осцилляций вычисленная величина потока солнечных рр нейтрино, приходящих на Землю нейтрино, 3.381010/(см2с) [2] хорошо согласуется с MSW-LMA решением солнечных нейтринных осцилляций.

Рис.2. Вероятности выживания солнечных e, вычисленные по результатам солнечных нейтринных экспериментов, ожидаемые вероятности с учетом MSW эффекта, спектр солнечных нейтрино для солнечной модели BS05 (Бакал-Серенелли (2005))

Галлий-германиевый нейтринный телескоп Баксанской нейтринной обсерватории в настоящее время является единственным в мире телескопом, обеспечивающим измерение скорости фундаментальной протон-протонной (pp) реакции термоядерного синтеза в Солнце, в которой генерируется подавляющая часть солнечной энергии, а также рождается подавляющая часть нейтринного потока. Регистрация pp нейтрино является прямым мониторингом и проверкой состояния светимости Солнца, pp нейтрино могут обеспечить нам более точную низкоэнергетическую нормалировку для калибровки MSW эффекта, проявляющегося в Солнце с ростом энергии нейтрино [4].

б. Модернизация телескопа с целью повышения его чувствительности

В результате оптимизации ICP-OES метода анализа германия по времени распыления образца и количества реплик в одном измерении и перехода на весовой метод приготовления стандартных растворов и образцов для анализа лигатуры более чем в два раза повышена точность измерений содержания германия в растворе.

В 2012 году была выполнена значительная часть подготовительных работ для перехода на новую технологическую схему извлечения германия из галлиевой мишени, на технологическую схему со сбором конденсата.

Проведены технологические испытания новой системы улавливания германия из газового потока на насыпной колонке. Насыпная колонка по своим свойствам отличается от тарельчатой, для определения оптимального режима работы колонки было осуществлено ряд тестовых и калибровочных отдувок. После установления оптимального режима (используемого в настоящее время) эффективность отдувки с использованием насыпной колонки составила не менее 98%.

Для повышения чувствительности ГГНТ в рамках работ по увеличению массы мишени ГГНТ проведена регенерация 1248.8 кг экстракционных растворов. Выход металлического чернового галлия составил 97.4%, что составляет 1216.367кг, которые находятся в настоящее время в стадии дальнейшей обработки и включения в активную часть мишени ГГНТ.

Литература

1. Phys. Rev. C 60 055801(1999); astro-ph/9907113
2. Phys. Rev. C 80, 015807 (2009)
3. УФН 181, т. 9, 975-984 (2011)
4. W. C. Haxton, R. G. Hamish Robertson, Aldo M. Serenelli, arXiv:1208.5723v1 [astro-ph.SR] (2012)

Публикации:

1. В.Н. Гаврин, Вклад Ga экспериментов в понимание физики Солнца и физики нейтрино, принято в печать в журнал «Ядерная физика» (2012).

Доклады:

1. В.Н. Гаврин, Low-energy neutrinos (SAGE, Borexino Liquid Scint., Baksan), ASPERA Town Meeting in Dubna, Russia, September 14, 2012
2. В.Н. Гаврин, Вклад солнечных нейтринных экспериментов в понимание физики Солнца и физики нейтрино, лекция на Междисциплинарном семинаре Астрономического общества Государственный Астрономический Институт имени П.К. Штернберга МГУ, Москва, 22 ноября 2012 года.

Публикации в средствах массовой информации и др.

1. V. N. Gavrin, V. V. Gorbachev, D. S. Gorbunov, T. V. Ibragimova, A.V. Kalikhov, V. A. Matveev, E. P. Veretenkin et al., Light Sterile Neutrinos: A White Paper, Very Short Baseline e x Oscillation Search with a Dual Metallic Ga Target at Baksan and a 51Cr Neutrino Source, arXiv:1204.5379v1 [hep-ph], 170.

Поддержка работы за счет грантов РФФИ, госконтрактов, внебюджетных и прочих средств:

РФФИ 11-02-00806-а Исследование нейтринного излучения Солнца и свойств нейтрино на Галлий-германиевом нейтринном телескопе в эксперименте SAGE

Проект 1.2. «Калибровочный эксперимент с источником 51Cr на двухзонной галлиевой мишени»

Руководитель: чл.-к. Гаврин В.Н.

В Институте молекулярной физики Национального исследовательского центра «Курчатовский институт» проведено совещание, на котором рассмотрены и согласованы основные положения совместного “Предложения нового эксперимента с искусственным источником нейтрино 51Cr активностью 3 МКи”.

Уточнены расчетные характеристики облучения хромовой мишени в реакторе СМ-3.

Разработаны основные технические требования к опытной установке для изготовления мишени из обогащенного хромa.

Предложена следующая схема получения мишеней из обогащенного хрома 50 состоит из следующих операций:

1. Получение электролитического хрома (ЭХ).
2. Рафинирование ЭХ в печи.
3. Размол в дезинтеграторе.
4. Набивка порошка в капсулу из нержавеющей стали
5. Газостатическое прессование
6. Снятие оболочки капсулы и механическая обработка для получения мишеней необходимой геометрии.

Электрохимический хром получается электрохимическим осажденим на катодах металлического хрома из электролита, представляющего собой водный раствор хромовой кислоты.

Технологический процесс рафинирования хрома основан на реакции взаимодействия кислорода, содержащегося в хроме, с водородом при высокой температуре. Т.к. процесс имеет лимитирующую стадию - диффузию кислорода в хроме к поверхности под действием разности концентраций, то необходимо обеспечивать не только высокую подвижность кислорода, высокое парциальное давление продуктов реакции, но и постоянный газообмен у поверхности чешуйки. При термическом рафинировании в токе водорода наряду с удалением газовых и газообразующих элементов уменьшается содержание легкоплавких металлических примесей.

При производстве порошка из ЭРХ последний подвергают многократному размолу на дезинтеграторах. Для снижения содержания натертого железа и некоторых других примесей используется химическая обработка порошка, состоящая в отмывке хрома в горячей 5-10% азотной кислоте с декантацией, которая наряду с отсевом фракции менее 40 мкм удаляет мелкие инородные включения.

Для изготовления мишеней из рафинированного хрома используются различные методы порошковой металлургии, позволяющие максимально сохранить чистоту исходного металла в процессе изготовления. Основным методом производства изделий из хромового порошка является газоизостатическое прессование (ГИП). Для проведения ГИП стальную капсулу плотно набивают трамбовкой и заваривают. Окончательную заварку проводят у исполнителя на установке электронно-лучевой сварки. При этом происходит удаление адсорбированных газов и воды из хрома. Капсулу ГИПуют при 1200 С и давлении около 1300 атм. Хром компактируется и после остывания направляется на механическую обработку.

Для измерения активности источника нейтрино на основе хрома-51 калориметрическим методом разработаны гидравлическая и электрическая схемы калориметрической установки. Принцип измерения заключается в полном поглощении в измерительной ячейке калориметра выделяемого источником тепла теплоносителем, в качестве которого используется деионизованная вода, теплофизические характеристики которой известны с высокой точностью. Тепловыделение источника определяется как разность теплосодержаний теплоносителя на входе и выходе из измерительной ячейки. Разработана и изготовлена измерительная ячейка калориметра. Проведены предварительные температурные измерения, которые показали, что возможно достичь точности измерения разницы температуры теплоносителя на входе и выходе из калориметра на уровне нескольких тысячных градуса. Это позволяет достигнуть точности измерения активности источника при активности в диапазоне 1-3 МКи на уровне десятых долей процента.

Одновременно разрабатывается метод определения активности источника по измерению -излучения, выходящего за пределы первичной защиты источника, германиевым полупроводниковым детектором и сцинтилляционным детектором NaI.

В распадах 51Cr рождаются фотоны с энергией 320 кэВ (10%) и внутреннее тормозное излучение с непрерывным спектром с максимальной энергией квантов 750 кэВ (~10-2 %). Подавляющая часть этого излучения поглощается в первичной защите источника. Вместе с тем, часть излучения выходит за пределы защиты и может быть зарегистрирована. В 2012 году было проведено изучение выхода излучения от 51Cr и от вероятных примесей методом Монте-Карло с использованием Geant4. Была показана возможность безопасной работы в эксперименте с источником активностью 3 МКи в заданной защите. На основе полученных спектров излучения источника будут проводиться измерения излучения от источника с применением ППД и детектора NaI, установленных на разных расстояниях. Исследуются вопросы возможной точности этих измерений с учётом угловых распределений излучения и применения различных коллиматоров. Предполагается, что в таких измерениях может быть достигнута точность на уровне 1-2%.

В рамках изготовления новой счетной системы телескопа в 2012 была выполнена разработка технического задания на изготовление детектора антисовпадений на основе кристалла NaI(Tl) габаритами 200х200 мм, колодцем 00х150 мм, четырьмя ФЭУ Hamamatsu, в корпусе из нержавеющей стали и кварцевыми иллюминаторами. Детектор изготовлен на предприятии AMCRYS (г. Харьков, Украина) и доставлен на БНО. Предварительные испытания показали полную работоспособность детектора, энергетическое разрешение составило около 4.6% при энергии 1.33 МэВ.

Были разработаны:

проект пассивной защиты для пропорциональных счетчиков и детектора антисовпадений. Выполнена разработка комплекта конструкторской документации для изготовления конструкционных элементов защиты. Все конструктивные элементы изготовлены и доставлены в ЛГГНТ, произведена контрольная сборка пассивной защиты;

проект модуля для размещения пропорционального счетчика в пассивной защите. Изготовлено нескольких опытных образцов модулей, на основе которых производится дальнейшая доводка всей конструкции до конечного вида;

функциональная схема электроники системы регистрации. Выполнен монтаж и настройка аппаратной части электроники. Компоновка оборудования выполнена с учетом оптимизации его теплового режима.

В помещении в комплексе ГГНТ для размещения новой системы регистрации проведены системы приточной и вытяжной вентиляции, стабилизированного электропитания от ИБП, гидравлическая магистраль и линии передачи данных. Проведена модернизация подземного сегмента локальной вычислительной сети (ЛВС).

Разрабатываемая в рамках проекта 8-канальная система регистрации представляет собой результат эволюционного развития технических решений, реализованных в существующей 8-канальной системе регистрации ГГНТ, и включает весь накопленный опыт ее многолетней эксплуатации. В то же время новая система обладает более высокими метрологическими характеристиками за счет применения современного оборудования.

Для изготовления счётчиков новых низкофоновых счетчиков был подобран и приобретён высокочистый материал. Изготовлена партия (5) счетчиков. Для исследования их счетных и фоновых характеристик счетчики заполнялись стандартной смесью и устанавливались на измерения в систему счета ГГНТ. Из 5 исследованных счетчиков 3 счетчика показали стабильные счетные и низкие фоновые характеристики.

Литература

[1] arXiv: 1006.2103

Публикации:

1. В.Н. Гаврин, Вклад Ga экспериментов в понимание физики Солнца и физики нейтрино, принято в печать в журнал «Ядерная физика» (2012).

2. В.В. Горбачев, Поиск осцилляций электронных нейтрино на короткой базе в экспериментах SAGE и Borexino с искусственным источником нейтрино, принято в печать в журнал «Ядерная физика» (2012).

3. D. Frekers, M.C. Simon, C.Andreoiu, J.C. Bale, M. Brodeur, T.Brunner, A.Chaudhuri, U. Chowdhury, J.R. Crespo Loren-Urrutia, P.Delheij, J. Dilling, H. Ejiri, S. Ettenauer, A.T. Gallant, V. Gavrin, A.Grossheim, M.N. Harakeh, F.Jang, A.A. Kwiatkowski, J. Lassen, A. Lennarz, M.Luichtl, T. Ma, E. Mane, B.E. Schultz, V.V. Simon. A.Teigelhoefer, Penning-trap Q-value determination of the
71Ga(,e–)71Ge reaction using threshold charge breeding of on-line produced isotopes (отправлена в PRL).

Доклады:

1. В.Н. Гаврин, В.В. Горбачев, Т.В. Ибрагимова, Е.П. Веретенкин, Current status of Ga-Cr neutrino project, The 4th International Symposium on Neutrinos and Dark Matter in Nuclear Physics (NDM12) June 11-15th, 2012, Nara, Japan
2. В.Н. Гаврин, Перспективы исследования нейтрино низких энергий в БНО ИЯИ РАН, доклад на Научном Совете РАН «Физика нейтрино и нейтринная астрофизика», Москва, 29 июня 2012 года.
3. В.Н. Гаврин, Е.П. Веретенкин, Высокоинтенсивные источники нейтрино на основе 51Сr, доклад на I–ой Международной бизнес – конференции производителей, поставщиков и потребителей изотопной продукции (IBC 2012) Москва, 1-2 октября 2012г.

Публикации в средствах массовой информации и др.

1. V. N. Gavrin, V. V. Gorbachev, D. S. Gorbunov, T. V. Ibragimova, A.V. Kalikhov, V. A. Matveev, E. P. Veretenkin et al., Light Sterile Neutrinos: A White Paper, Very Short Baseline e x Oscillation Search with a Dual Metallic Ga Target at Baksan and a 51Cr Neutrino Source, arXiv:1204.5379v1 [hep-ph], 170.

2. V.V. Gorbachev, B.T. Cleveland, V.N. Gavrin, T.V. Ibragimova, A.V. Kalikhov, J.S. Nico, E.P. Veretenkin, Ga source experiment for detection of short baseline neutrino oscillations, Journal of Physics: Conference Series, 375 (2012) 042068.

3. V.N. Gavrin, V.V. Gorbachev, T.V. Ibragimova, E.P. Veretenkin, Current status of the Ga-Cr neutrino project, http://web.ias.tokushima-u.ac.jp/physics/nucl/NDM12/NDM12.html

Поддержка работы за счет грантов РФФИ, госконтрактов, внебюджетных и прочих средств:

РФФИ 11-02-12130-офи-м-2011. Модернизация Галлий-германиевого нейтринного телескопа с целью проведения эксперимента по проверке гипотезы осцилляционных переходов электронных нейтрино в стерильные состояния.

Проект 1.3. «Исследование природных потоков мюонов и нейтрино высоких энергий, поиск магнитных монополей и частиц темной материи в экспериментах на Байкальском глубоководном нейтринном телескопе»

Руководитель: чл.-к. Домогацкий Г.В.

За период январь 2012 г. – ноябрь 2012г. осуществлены монтаж и запуск на оз. Байкал в режиме постоянного набора данных модернизированного прототипа кластера нейтринного телескопа НТ1000,

состоящего из трех гирлянд оптических модулей, одна из которых является

рабочей версией полномасштабной гирлянды нейтринного телескопа НТ1000

Публикации 2012г.

1. N.M.Budnev et al., “Acoustic search for high-energy neutrinos in the Lake Baikal: Results and plans.” 4th International Workshop on Acoustic and Radio EeV Neutrino detection Activity, ARENA 2010, Nantes, France, June 29 - July 2, 2010. Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A. 2012. V. 662. P. S210-S215.

2. A.V. Avrorin et al., “Status of the BAIKAL-GVD project”, Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A692 (2012) P. 46-52;doi:10.1016/j.nima.2011.12.106

3. A. Avrorin, V. Aynutdinov, I. Belolaptikov e al., “ASP-15 – A stationary device for the measurement of the optical water properties at the NT200 neutrino telescope site”, ”, Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A V.693 (2012)P. 186-194, http://dx.doi.org/10.1016/j.nima.2012.06.035

4. A.V.Avrorin, V. Aynutdinov, I. Belolaptikov e al., “Current status of the BAIKAL-GVD project”, NIM a(2012), http://dx.doi.org/10.1016/j.nima.2012.11.151

5. Y. Abe, C. Aberle, T. Akiri,...V. Sinev,.. et al. (DC Collaboration) Indication of reactor electron antineutrinos disappearance in the Double Chooz experiment, Phys. Rev. Lett. 108, 131801, 2012.

6. Y. Abe, C. Aberle, J.C. dos Anjos et al. Reactor electron antineutrino disappearance in the Double Chooz experiment, принято в Phys. Rev. D, 2012; arXiv:1207.6632 [hep-ex].

7. Y. Abe, C. Aberle, J.C. dos Anjos et al. First Test of Lorentz Violation with a Reactor-based Antineutrino Experiment, принято в Phys. Rev. D, 2012, arXiv:1209.5810 [hep-ex].

8. Y. Abe, C. Aberle, J.C. dos Anjos et al. Direct Measurement of Backgrounds Using Reactor-Off Data In Double Chooz, принято в Phys. Rev. D Rapid communications, 2012; arXiv:1210.3748 [hep-ex].

9. Olga Suvorova, Musabi Boliev, Sergei Demidov, Stanislav Mikheyev. «Limits on spin-dependent WIMP-proton cross-sections from the neutrino experiment of the Baksan Ungerground Scintillator Telescope», Труды конференции http://pos.sissa.it/ PoS(DSU 2012)043 и препринт в arXiv:1211.2545[astro-ph.HE].

10. Ф.К.Кошель, Д.А.Кулешов, А.А.Смагина, «Анализ работы аппаратуры и фоновых условий регистрации экспериментального кластера глубоководного нейтринного телескопа НТ1000», Труды 55-й научной конференции МФТИ: Современные проблемы фундаментальных и прикладных наук. М.:МФТИ, 2012.

Принято в печать:

1. А. Аврорин, В. Айнутдинов, Р. Баннаш и др., “Гидроакустическая система позиционирования экспериментального кластера нейтринного телескопа масштаба кубического километра на озере Байкал. «Приборы и техника эксперимента» (2013).

2. В.В. Синев. Экспериментальный спектр антинейтрино от ядерного реактора и спектры основных делящихся изотопов, Препринт ИЯИ-1318/2012. Ядерная физика (2013).

A.Avrorin et al. “Present status of the BAIKAL-GVD project development”, Journal of Physics (Conference Series) (2013).

3. О.В. Суворова, М.М. Болиев, С.В. Демидов, С.П. Михеев. «Ограничения на сечения упругого рассеяния нейтралино на нуклоне в нейтринном эксперименте на Баксанском подземном сцинтилляционном телескопе», Ядерная Физика (МАИК) (2013)

Проект 1.4. «Коллапс и физика нейтрино на больших подземных сцинтилляционных установках»

Руководитель проекта: Чл.-к. О.Г.Ряжская

1. Поиск нейтринного излучения от коллапсирующих звезд

Для регистрации гравитационного коллапса необходима длительная непрерывная работа специализированных экспериментальных установок. Основная задача состоит в том, чтобы зарегистрировать кратковременную нейтринную вспышку и определить типы зарегистрированных нейтрино. Такими установками являются детектор LVD, (рис. 1а) в состав которого входит примерно 1 кт железа и 1 кт жидкого сцинтиллятора, и установка «Коллапс» Артемовской Научной Станции ИЯИ РАН (рис. 1б). «Коллапс» - это большой жидкостной сцинтилляционный монодетектор с массой 105 тонн. За период наблюдения за Галактикой по данным двух установок с 1977г. по 2012г. кандидатов на вспышки Сверхновых обнаружено не было. За 35 лет работы установок получено ограничение на частоту гравитационных коллапсов менее, чем одно событие за 15.2 года на 90% доверительном уровне (fcol < 0.0658 года-1). Обработка экспериментальных данных (за 2001-2012 г.г.) показала, что распределение фоновых событий находится в хорошем соответствии с законом Пуассона n=0.52 имп./сек.

По данным работы установки LVD, с 1992 года, предел на частоту вспышек сверхновых составляет 1/8.69 года-1.

Рис.1а Установка LVD	Рис.1б Установка «Коллапс» АНС

2. Измерение скорости нейтрино на установке LVD

Детектор LVD расположен в подземной лаборатории Гран Сассо (Италия) на средней глубине 3650 м.в.э. Основной задачей детектора LVD является поиск нейтринного излучения от гравитационных коллапсов звезд в нашей Галактике.

Установка (рис. 2) с размерами 13 20 10 м3 состоит из трех башен. Каждая башня содержит 280 сцинтилляционных счетчиков, помещенных в железные портатанки (по 8 счетчиков в каждом). Счетчики заполнены жидким сцинтиллятором на основе уайт-спирита (СnH2n, <n>=9.6, = 0.78 г/см3). Установка начала работать в 1992 г. и достигла своей окончательной конфигурации в 2001 г. Модульная структура детектора позволяет проводить регламентные работы по поддержанию установки в рабочем состоянии без остановки системы сбора информации. Начиная с 2002 года эффективное время работы LVD превышает 99%.

Измерение времени пролета нейтрино представляет собой измерение разности между абсолютным временем срабатывания триггеров в счетчиках LVD и абсолютным временем выхода пучка протонов из ЦЕРНа. Задачей эксперимента LVD являлось определение абсолютного времени регистрации событий.

С 10 по 24 мая 2012 г пучок CNGS имел новую структуру: 4 серии по 16 групп (bunches), раздвинутыми на 300 нс друг от друга. Ширина «банча» 3 нс, интервал между ними 100 нс.

Специально для этих коротких банчей была сконструирована новая система точного времени, сигнал от которой мог подаваться для всех экспериментов Лаборатории LNGS. Кроме этого на установке LVD была изменена электроника, измерены задержки в кабелях и узлах электроники, проведена временная синхронизация 58 сцинтилляционных счетчиков с помощью светодиодов.

Рис. 2 Схема установки LVD. Синим цветом обозначены счетчики третьей башни, в которых были установлены светодиоды.

Во время работы пучка с новой структурой установка LVD работала в полном объеме и зарегистрировала 190 событий. Для определения скорости нейтрино были отобраны 79 событий, в которых мюоны от нейтрино прошли через все три башни и через счетчики со светодиодами. 48 из них были отобраны визуально и для каждого события было определено значение t (Рис. 3).

Рис.3 Распределение t разности времени-пролета нейтрино и времени-пролета световых фотонов.

В результате для 48 зарегистрированных мюонных событий от нейтрино из ЦЕРНа с энергией 17 ГэВ была определена величина t= - 0.3±0.6 (стат) ±3.2 (сист) нс.

Величина относительного отклонения скорости нейтрино от скорости света по данным пучка нейтрино из ЦЕРНа с короткими банчами составила 3.310-6 < (v-c)/c < 3.510-6. Используя среднюю энергию нейтринного пучка (E = 17 ГэВ) получено ограничение на массу мюонного нейтрино: m < 44 МэВ/c2 на 99% уровне достоверности.

3. Измерение скорости нейтрино на установке OPERA

Опубликована работа по определению скорости нейтрино на установке OPERA по данным 2009, 2010 и 2011 годов. Была определена величина относительного отклонения скорости нейтрино от скорости света по 15223 взаимодействий нейтрино в веществе детектора: (v-c)/c= (2.7 ± 3.1 (stat) (sys)) 10-6. Превышение скорости нейтрино над скоростью света составляет t= 6.5±7.4 (стат) (сист) нс (рис.4а).

По данным с короткими банчами шириной 3 нс и интервалом между ними 100 нс в установке OPERA наблюдалось 16 событий (рис.4б).

а

б

Рис.4 Распределение t разности времени-пролета нейтрино и времени-пролета световых фотонов в эксперименте OPERA а) – по данным с 2009 по 2011 года, б) – данным коротких банчей.

4. Определение временного сдвига в эксперименте OPERA, с помощью горизонтальных мюонов, проходящих через установки LVD и OPERA.

Рис.5 Схема расположения установок LVD и OPERA в подземной лаборатории LNGS.

Установки LVD и OPERA, находящиеся в Лаборатории LNGS, расположены на расстоянии 160 м друг от друга (рис. 5). Атмосферные горизонтальные мюоны, пересекающие обе установки, приходят в направлении, перпендикулярном пучку нейтрино из ЦЕРНа около 100 штук в год. С середины 2007 года по март 2012 было отобрано 306 мюонных событий, проходящих через LVD и OPERA. Определялась разность между временем регистрации событий в установке LVD и OPERA. Обнаружено, что с конца 2008 г по конец 2011 г время пролета мюонов между установками превышало расчетное на 73±9 нс (рис. 6). Это помогло найти систематическую ошибку, связанную с измерением абсолютного времени в эксперименте OPERA.

Рис.6 Распределение t=tOPERA-tLVD для коррелированных OPERA - LVD мюонных событий.

5. Определение эффективности регистрации гамма-квантов и нейтронов в установке LVD

Потоки нейтронов, образованных мюонами космических лучей под землей, являются основным источником фона в нейтринных экспериментах, проводимых в области нейтринной физики и при поиске редких процессов, предсказываемых теорией. На установке LVD изучаются различные характеристики потока нейтронов, генерируемых мюонами в веществе детектора: жидком сцинтилляторе и железе. Одним из основных вопросов является величина эффективности регистрации нейтронов. Для ее определения моделировались процессы рождения, переноса и детектирования нейтронов с помощью программных пакетов SHIELD и GEANT4. Были определены эффективности регистрации гамма-квантов, испускаемых при захвате нейтронов ядрами вещества установки (сцинтиллятора и металлическими частями установки) с различными порогами регистрации. Для определения эффективности регистрации нейтронов в сцинтилляторе и железе установки LVD, проводилось моделирование распространения нейтронов фиксированной энергии (5, 10 и 80 МэВ) с последующей фиксацией энерговыделения захватных гамма-квантов в сцинтилляторе при различных порогах регистрации. Эффективность регистрации нейтронов необходима для вычисления нейтронного выхода в сцинтилляторе, определения потока нейтронов, образуемых мюонами в веществе детектора. Экспериментальным условиям наиболее соответствуют величины эффективности регистрации нейтронов n(sc) = 0,66 и n(Fe) = 0.31, n(sc) = 0,57 и n(Fe) = 0.29, n(sc) = 0,34 и n(Fe) = 0.24 полученные при пороге регистрации гамма-квантов 0.7 МэВ для нейтронов с энергиями En = 5, 10 и 80 МэВ, характерными для подавляющей части нейтронов, рожденных мюонами, соответственно.

Результаты работ были доложены на конференциях и семинарах и опубликованы научных журналах.

Список публикаций:

1. Agafonova et al., (LVD and OPERA Collaboration), Determination of a time-shift in the OPERA set-up using high-energy horizontal muons in the LVD and OPERA detectors, Eur. Phys. J. Plus (2012) 127:71

2. Agafonova et al., (OPERA Collaboration), Momentum measurement by the multiple Coulomb scattering method in the OPERA lead-emulsion target, New J. Phys. 14 (2012) 013026

3. Agafonova et al., (OPERA Collaboration), Measurement of the neutrino velocity with the

OPERA detector in the CNGS beam, JHEP 10 (2012) 093

4. Agafonova et al., (OPERA Collaboration), Search for oscillation with the OPERA experiment in the CNGS beam, New J. Phys. 14 (2012) 033017

5. N.Yu. Agafonova et al. (LVD Collaboration), Measurement of the Velocity of Neutrinos from the CNGS Beam with the Large Volume Detector, arXiv:1208.1392, Phys.Rev.Lett. 109, 070801 (2012)

6. N.Yu. Agafonova et al. (LVD Collaboration), «Monte Carlo Simulation study of Neutron Interaction with NaCl in LVD» для журнала Journal of Physics (Conference Series) ECRS и «Изучение взаимодействия нейтронов с поваренной солью в детекторе LVD» в журнал Изв. РАН Сер.Физ. (в печати)

7. N.Yu. Agafonova et al. (LVD Collaboration), «Neutrons produced by muons in LVD, Monte Carlo Simulation» для журнала Journal of Physics (Conference Series) ECRS и «Нейтроны, генерированные мюонами на установке LVD» в журнал Изв. РАН Сер.Физ. (в печати)

8. R.I. Enikeev et al., «Search for neutrino radiation from collapsing stars with Artyomovsk scintillation detector» для журнала Journal of Physics (Conference Series) ECRS и «Поиск нейтринного излучения от коллапсирующих звезд на Артемовском сцинтилляционном детекторе» в журнал Изв. РАН Сер.Физ. (в печати)

9. O.G. Ryazhskaya, «Underground experiments» для журнала Journal of Physics (Conference Series) ECRS. (в печати)

Проект 1.4. «Международные проекты по физике нейтрино»

Руководитель проекта: ак. В.А.Матвеев

а. Безнейтринный двойной бета распад. Исследование нейтринных осцилляций в потоках нейтрино от реакторов. Ответственные исполнители: И.Р.Барабанов и Л.Б.Безруков

В рамках международной Европейской кoллаборации Герда в течение года происходила непрерывная обработка полученных результатов и обеспечивалась бесперебойная работа установки К настоящему моменту достигнут уровень фона 0,02 отсчетов/кэВ.кг.год. Эта значение является наилучшим из мировых результатов.

Одновременно начата работа по подготовке второй фазы эксперимента. Из обогащенного Ge (по изотопу 76Ge), наработанного и очищенного в России, изготовлены первые образца германиевых кристаллов нового типа. Собран и запущен в работу стринг из 5-и детекторов (с общей массой 3,5 кг). Проведена первая экспозиция длительностью 60 дней и получены первые данные, которые в настоящее время находятся в стадии обработки. Группой ИЯИ разработан новый метод оценки примеси 232Th по регистрации двойных совпадений в различных детекторах. Впервые получен верхний предел содержания 232Th, учитывающий неактивные области детекторов. Результаты представлены на сайте коллаборации.

Публикации 2012 года:

GERDA col. “The GERDA Experiment: Status and Results”
European Nuclear Physics Conference (EuNPC2012) Bucharest, Romania, September 17-21, 2012

GERDA col. “Progress in 0 decay search and the GERmanium Detector Array”  
Behind the neutrino mass INTERNATIONAL WORKSHOP ON MODELS OF NEUTRINO MASS Grignano (Trieste, Italy), September 17 - 21, 2012

GERDA col.”GERDA, Status and Perspectives”  
Neutrino Oscillation Workshop 2012, Conca Specchiulla (Otranto, Italy), September 8-15, 2012

GERDA col. “Status and plans with the GERDA experiment to probe the nature of neutrinos”
36th International Conference on High Energy Physics, July 4-11, 2012, Melbourne, Australia

GERDA col. “Status of the GERDA experiment” 4th Int. Symposium on Neutrinos and Dark Matter

б. Исследование нейтринных осцилляций в потоках дальних нейтрино от ускорителей. Эксперименты К2К, Т2К.

Ответственный исполнитель: Ю.Г.Куденко

В 2012 году получены следующие основные результаты

1. После анализа данных, набранных в 2010-первой половине 2012 года было зарегистрировано 11 событий, идентифицированных как электроноподобные события, появившиеся в результате взаимодействия в детекторе через заряженный ток электронных нейтрино с энергией от 100 до 1250 МэВ. Ожидаемое число таких событий, предполагая отсутствие осцилляций e (для 13 =0) составило 3.22 ± 0.43 события. Основной вклад в фоновые события дают электронные нейтрино, содержащиеся в исходном пучке мюонных нейтрино, а также вклад от нейтральных пионов, возникающих в результате взаимодействия мюооных нейтрино через нейтральные токи. Таким образом, осцилляции e, т.е. появление электронных нейтрино в пучке мюонных нейтрино, обнаружены в эксперименте Т2К с вероятностью 99.92% (3.2). Связь между значением sin2213 и величиной СР нечетной фазы для обеих возможных иерархий масс нейтрино показана на рис.1. В случае = 0 центральная величина sin2213 имеет значение 0.104 для нормальной иерархии масс нейтрино (m3 > m2) и 0.128 для инверсной иерархии (m3 < m2), как это следует из рисунка 1.

2. Проведено исследование off-axis пучка нейтрино. Состав и спектр нейтрино определены с точностью 15%. Получено, что ошибка в предсказании спектра и интенсивности нейтрино в дальнем детекторе с использованием far/near отношения составляет в осцилляционном максиме для энергии нейтрино 600 МэВ около 2%.

3. Получены первые неосцилляционные результаты с использованием ближнего детектора ND280. Измерены сечения квазиупругого рассеяния мюонных нейтрино через заряженные токи. Получены первые данные по исследованию процессов через нейтральные токи. Измерена примесь электронных нейтрино, являющихся физическим фоном при исследовании осцилляций мюонных нейтрино в электронные.

Рис.1 Допустимые области значений угла 13 и величины СР нечетной фазы для нормальной иерархии масс (верхний рисунок) и инверсной иерархии масс (нижний рисунок). Кривая черного цвета показывает наиболее вероятную величину 13 для всех значений от - до.

Публикации в 2012 году

Ю.Г. Куденко. Осцилляции нейтрино: прорыв в новую физику. Вестник РАН, 82

(2012) 683-711.

Ю.Г. Куденко. Нейтринная физика: год угла смешивания \theta_13. Природа, 11

(2012).

K. Abe, N. Abgrall, Y. Ajima, H. Aihara, J.B. Albert,… M.Khabibullin, O.Mineev et al.

Measurements of the T2K neutrino beam properties using the INGRID on-axis near detector. Nucl.Instrum.Meth. A694 (2012) 211-223

K.Abe… O.Mineev et al. First Muon-Neutrino Disappearance Study with an Off-Axis Beam. Phys. Rev D85 (2012) 031303.

S.Aoki,.. О.Mineev et al. The T2K Side Muon Range Detector. e-Print: arXiv:1206.3553

[physics.ins-det].

K. Abe… M.Khabibulli et al. (Т2К Collaboration). The T2K Neutrino Flux Prediction.

e-Print: arXiv:1211.0469 [hep-ex].

A. Izmaylov et al. Investigation of neutrino oscillations in the T2K

long-baseline accelerator experiment. Phys.Atom.Nucl. 75 (2012) 182-191.

A.Stahl, A.M.Guler… Yu.Kudenko et al. Expression of Interest for a very long baseline neutrino oscillation experiment (LBNO). CERN-SPSC-2012-021, SPSC-EOI-007, 2012

Доклады на конференциях и школах

1. Yu.Kudenko, Long baseline neutrino experiments: recent results and future program, talk at HSQCD, Gatchina, 4-9 July 2012.
2. М.Khabibullin, Recent results of the T2K experiment, talk at QUAKS2012, June 2012, Yaroslavl, Russia.
3. Yu.Kudenko, 13 measurement in reactor and accelerator experiments. Future prospects of long baseline experiments, talk at the Baikal school on neutrino and cosmology, Ulan-Ude, Russia, 22-28 July 2012.
4. Ю.Г.Куденко, Марковские чтения, Москва, 11 мая 2012
5. Ю.Г. Куденко, Поиск СР нарушения в осцилляциях нейтрино, пленарный доклад на Сессии Секции ядерной физики ОФН РАН, Москва, 15 ноября 2012
6. Д.А. Гудин, Ю.Г. Куденко, Измерение электронных нейтрино в ближнем детекторе эксперимента Т2К, доклад на Сессии Секции ядерной физики ОФН РАН, Москва, 15 ноября 2012
7. И.Карпиков, Измерений квазиупруго рассеяния мюонных нейтрино в ближнем детекторе Т2К, доклад на Школе МФТИ, 22 ноября 2012.
8. А. О. Измайлов, Исследование осцилляций нейтрино в эксперименте Т2К, доклад на Международной Ломоносовской школе по физике нейтрино и астрофизике, Москва 16 февраля 2012.

Защита дипломов, диссертаций

По материалам исследований в 2012 года была защищены 3 бакалаврских работы и одна магистерская работа

В 2012 году защищена одна кандидатская диссертация

А.О. Измайловым «Исследование осцилляций мюонных нейтрино в ускорительном эксперименте Т2К ».

в. Изучение космических лучей сверхвысоких энергий международной коллаборацией «Telescope array».

Ответственный исполнитель: чл.-к. И.И.Ткачев.

Программа эксперимента включает регистрацию широких атмосферных ливней в гибридном подходе — путем регистрации вторичных частиц с помощью решетки наземных детекторов и измерения флюоресцентного свечения атмосферы с помощью телескопов. В данный момент в составе установки Telescope Array одновременно работают 3 флуоресцентных телескопа и наземная решетка из 507 детекторов, площадью 700 км2, регистрирующие ШАЛ, вызванные космическими лучами сверхвысоких энергий. Также функционирует лидар, центральный лазер и линейный ускоритель электронов с энергией 40 МэВ. Время работы наземной решетки превышает 95% года, при этом флуоресцентные телескопы функционировали около 10% времени. Установка стабильно работает работает в гибридном режиме, собрав к сегодняшнему дню более 4.5 лет гибридных данных.

В 2012 году получены следующие физические результаты:

- Измерен спектр космических лучей ультравысоких энергий по данным трех лет наблюдения наземной решетки Telescope Array, подтверждающий присутствие обрезания, предсказанного Грейзеном-Зацепиным и Кузьминым.- Измерен спектр космических лучей ультравысоких энергий по данным трех лет наблюдения флуоресцентного телескопа Middle Drum. Выполнено сравнение со спектром телескопа HiRes-1, зеркала и электроника которого использованы при построении Middle Drum. Спектры находятся во взаимном согласии.

- Опубликованы события ШАЛ, зарегистрированные наземной решеткой эксперимента Telescope Array за три года наблюдения, имеющие энергии выше 57 ЭэВ. Исследованы корреляции направлений прихода данного набора событий с положениями активных галактических ядер. Направления прихода событий совместны с гипотезой изотропного распределения. Проверена гипотеза корреляций направлений прихода событий Telescope Array с энергиями выше 10 ЭэВ, 40 ЭэВ и 57 ЭэВ с распределением плотности материи в крупномасштабной структуре локальной части Вселенной.- Исследованы корреляции направлений прихода событий Telescope Array с положениями активных галактических ядер и распределением плотности материи в крупномасштабной структуре. Значимых корреляций не обнаружено, направления прихода первичных частиц совместны с гипотезой изотропного распределения.- Обнаружено, что направления прихода двух из шести космических частиц с энергиями выше 10^20 эВ, зарегистрированных установками Telescope Array и Pierre Auger, совпадают в пределах углового разрешения. Оценена статистическая значимость совпадения, обсуждается возможный источник событий. - В рамках междунарожной рабочей группы, включающей представителей обсерваторий Pierre Auger, Telescope Array и Якутской комплексной установки ШАЛ дана оценка применяемых методов и текущего состояния исследований фотонов и нейтрино ультравысоких энергий. Рассчитаны проектные чувствительности экспериментов Pierre Auger и Telescope Array к фотонам на 2015 год и выполнено сравнение с планируемой чувствительностью эксперимента JEM-EUSO. Существующие наземные установки являются сильными конкурентами планируемым космическим экспериментам по чувствительности к фотонам. Ряд существуюших астрофизических моделей предсказывают возможность открытия первых фотонов ультравысоких энергий в ближайшие годы.

Результаты представлены на международных конференциях: 23rd European Cosmic Ray Symposium, Moscow, Russia, July, 3-7, 2012; International Symposium on Future Directions in UHECR Physics, 13-16 February 2012, ЦЕРН и др.

Список публикаций:

[1] T. Abu-Zayyad... V. Kuzmin, M. Pshirkov, G. Rubtsov, I. Tkachev, S. Troitsky.. et al // Search for Anisotropy of Ultra-High Energy Cosmic Rays with the Telescope Array Experiment, -2012 -Astrophys. J. -V. 757 (2012) -P. 26

[2] T. Abu-Zayyad... D.Gorbunov, V. Kuzmin, M. Pshirkov, G. Rubtsov, I. Tkachev, S. Troitsky.. et al // The Energy Spectrum of Telescope Array's Middle Drum Detector and the Direct Comparison to the High Resolution Fly's Eye Experiment, -2012, -Astroparticle Physics -V. 39-40 -P. 109-119[3] H. Tokuno,... D.Gorbunov, V. Kuzmin, M. Pshirkov, G. Rubtsov, I.Tkachev, S. Troitsky.. et al //, New air fluorescence detectors employed in the Telescope Array experiment, -2012, -NIM -V. A676 -P. 54-65 [4] T. Abu-Zayyad... D.Gorbunov, V. Kuzmin, M. Pshirkov, G. Rubtsov, I. Tkachev, S. Troitsky.. et al // The surface detector array of the Telescope Array experiment, -2012 -NIM -V. A689 -P. 87-97

[5] O.E. Kalashev, K.V. Ptitsyna, S.V. Troitsky // Towards a model of population of astrophysical sources of ultrahigh-energy cosmic rays, -2012, -Phys. Rev. -V. D86 -P. 063005

[6] S. V. Troitsky // A doublet of cosmic-ray events with primary energies >10^20 eV, -2012, -Письма в ЖЭТФ -V. 96 -P. 14-17

г. Нейтринные эксперименты во ФНАЛ

Ответственный исполнитель: А.Буткевич

эксперименты E938(MINERvA) и E929(NOvA)

Период выполнения данного этапа Проекта: 2012-2014 г..

Целью эксперимента MINERvA является изучение рассеяния нейтрино на ядрах. Детальное описание программы исследований и детектора опубликовано в arXiv:hep-ex/0405002 сайте эксперимента http://minerva.fnal.gov

Программа эксперимента включает измерение сечений взаимодействия нейтрино с различными ядерными мишенями в области энергий квази-упругого рассеяния, рождения резонансов и глубоко-неупругого рассеяния. Эксперимент находится в стадии набора данных и их анализа.

Целью эксперимента NOvA является изучение e осцилляций нейтрино. Программа эксперимента включает измерение числа событий, вызванных взаимодействием электронных нейтрино и антинейтрино, которые могут появиться в пучках мюонных нейтрино и антинейтрино, в результате e осцилляций. Это дает возможность измерить угол смешивания 13 и фазу нарушения СР инвариантности в лептонном секторе, а также определить иерархию масс нейтринных состояний. Эксперимент находится в процессе подготовки. Набор данных планируется начать в конце 2013 году. Описание программы исследований и детекторов можно найти на сайте www-nova.fnal.gov.

В эксперименте MINERvA была продемонстрирована возможность передачи информации с помощью пучка нейтрино. По версии электронного издательства Physics World http://physicsworld.com/cws/article/news/2012/dec/14/physics-world-reveals-its-top-10-breakthroughs-for-2012 этот результат занимает 9-е место в списке десяти лучших результатов, полученных в 2012 году. На данном этапе, основной задачей эксперимента является измерение сечений квазиупругого рассеяния нейтрино на ядрах углерода, железа и свинца. Работа группы ИЯИ, в основном, была сконцентрирована на анализе данных об эксклюзивном процессе квази-упругого рассеяния нейтрино на углероде с рождением мюона и протона. Определена система критериев, их эффективность и мощность, позволяющих отбирать эти события. Вычислены сечения квазиупругого рассеяния нейтрино заряженным током на ядрах хлора, аргона и кальция. Определена зависимость полных сечений (на нуклон) этого процесса от массы ядра.

В эксперименте NOvA сотрудниками ИЯИ была проделана большая работа по монтажу, настройке и установке на прототипе нейтринного детектора электронных блоков, включающих в себя лавинные фотодиоды. Этот детектор войдет в состав ближнего детектора в эксперименте NOvA. Кроме того, была сделана оценка геометрической точности установки регистрирующих модулей прототипа нейтринного детектора и её влияние на точность восстановления траекторий частиц.

Публикации

[1] A.V. Butkevich "Quasi-elastic neutrino charged-current scattering off medium-heavy nuclei: 40Ca and 40Ar", Phys. Rev. C85 (2012) 065501 [arXiv:1204.3160[hep-ph]]

[2] D.D. Stancil et al. {MINERvA Cjllaboration} ''Demonstration of communication using neutrinos'', Mod.Phys.Lett. A27 (2012) 1250077 [arXiv:1203.2847]

В состав группы входят два студента 4-го курса МФТИ, которые готовят бакалаврские дипломные работы.

д. Исследование нейтринных осцилляций в потоках нейтрино от реакторов.

Ответственный исполнитель: В.В.Синев

В Международной коллаборации Double Chooz, куда входят 7 стран, включая Россию, представленную ИЯИ РАН и Курчатовским институтом, в 2012 году продолжался набор статистики при работе в режиме только одного детектора. В 21012 году были измерены с высокой точностью фоны детектора в результате большого периода остановки сразу двух реакторов, что позволило существенно уменьшить систематическую погрешность. Получено значение угла смешивания нейтрино 13, которое описывает превращение электронного нейтрино в таонное с лучшей погрешностью по сравнению с первой публикацией sin2213 = 0.109 ± 0.030(stat) ±0.025( syst). Ненулевое значение этого угла означает асимметрию нейтрино-антинейтрино, что позволяет объяснить отсутствие анти материи в нашем мире.

Публикации в 2012 году:

1. Y. Abe, C. Aberle, T. Akiri et al. Indication of reactor electron antineutrinos disappearance in the Double Chooz experiment, Phys. Rev. Lett. 108, 131801, 2012; arXiv:1112.6353 [hep-ex].

2. Y. Abe, C. Aberle, J.C. dos Anjos et al. Reactor electron antineutrino disappearance in the Double Chooz experiment, принято в Phys. Rev. D, 2012; arXiv:1207.6632 [hep-ex].

3. Y. Abe, C. Aberle, J.C. dos Anjos et al. First Test of Lorentz Violation with a Reactor-based Antineutrino Experiment, принято в Phys. Rev. D, 2012, arXiv:1209.5810 [hep-ex].

4. Y. Abe, C. Aberle, J.C. dos Anjos et al. Direct Measurement of Backgrounds Using Reactor-Off Data In Double Chooz, принято в Phys. Rev. D Rapid communications, 2012; arXiv:1210.3748 [hep-ex].

Проект 1.6. «Низкофоновые эксперименты в Баксанской нейтринной обсерватории – новый этап эксперимента о поиску 2К захвата 78Kr и 124Xe с помощью пропорциональных счетчиков»

Руководитель проекта: В.В.Кузьминов

В рамках проекта предполагается проверить устойчивость современных представлений о структуре ядра и универсальность методов расчета матричных элементов, определяющих надежность теоретических предсказаний периодов полураспада различных изотопов относительно безнейтринной моды двойного бета-распада. Проверку предполагается осуществить путем экспериментального измерения периода полураспада до сих пор не наблюдавшегося процесса двойного двухнейтринного К-захвата на изотопах 78Kr 124Хе и сравнения с расчетными теоретическими предсказаниями, выполненными по той же методике, что и расчеты для безнейтринной моды. В настоящее время такие расчеты проводятся в рамках модели с квазичастичной случайно-фазовой аппроксимацией (QRPA) и ее расширенной модификацией - модели множественных коммутаторов (МСМ). Эти модели дают для 78Kr значения периода полураспада относительно 2К-захвата 4,71022 лет и 3,71021 лет, соответственно. При уровне чувствительности измерений не хуже 51021 лет может быть проверена МСМ. Эти же модели для 2К-захвата 124Хе дают значения 3,81021 лет и 5,11023 лет, соответственно. Видно, что при указанном уровне чувствительности при наличии двух изотопов могут быть проверены результаты предсказаний обеих моделей. В рамках данной работы предполагается достичь уровня чувствительности не хуже 11022 лет.

Измерения проводятся в подземной низкофоновой установке с пропорциональным счётчиком высокого давления, имеющим чрезвычайно низкий уровень собственного фона. Счётчик заполняется тестируемым инертным газом, обогащённым по исследуемому изотопу. Степень обогащения в сочетании с величиной собственного фона определяют предельную чувствительность установки к изучаемому процессу. В настоящее время в распоряжении коллектива имеется образец криптона объёмом 47,6 н.л., обогащённый по 78Kr до 99,8% (0,354% в естественной смеси) и шесть образцов ксенона с разной степенью обогащения по 124Хе. При их объединении можно получить образец объёмом 12.142 л с обогащением по 124Хе до ~62,95 % (7686 см3 изотопа) (0,096% в естественной смеси). Имеются также образцы естественного криптона и ксенона с высокой степенью очистки от радиоактивного 85Kr для измерения собственного фона счётчика.

Ожидается, что эффект от 2К-захвата будет проявляться в виде дополнительных к фону событий с распределением полной энергии по трём точечно-подобным областям объёма детектора. Энерговыделения в этих областях задаются энергиями двух характеристических квантов, рождающихся при заполнении двойной вакансии на К-оболочке дочернего атома, и суммарной энергией оже-электронов, возникающих при снятии остаточного возбуждения оболочки этого атома. Отбор трёхточечных событий осуществляется по результатам анализа формы импульсов, записанных в память компьютера. Полное энерговыделение для 2К-захвата 78Kr78Se** ожидается равным ~25,3 кэВ, для 2К-захвата 124Хе 124Те** -~ 63,6 кэВ

В 2012 году были выполнены работы:

1. Проведена обработка объединённых данных первой и второй серий измерений. При сравнении спектра фона низкофонового пропорционального счётчика, заполненного криптоном, обогащённым до 99.81% по изотопу 78Kr (полное время измерения 8400 + 9457 час.) и спектра фона с криптоном, обеднённым по 78Kr ниже 0.002% (полное время измерения 5000 + 6243 час.), в области энергий искомого эффекта наблюдается избыток событий со статистической значимостью 2.5. Эффект может быть интерпретирован как 2К-захвата 78Kr с периодом полураспада

Т1/2(2К, 2+0) = (9.2+5.5-2.6) 1021 лет или альтернативно

Т1/2(2К,2) 5,51021 лет (90% у.д.).

Из анализа тех же данных впервые установлены пределы на периоды полураспада для следующих процессов:

1) 2К(2)-захват на возбуждённый уровень 0+1(1498.599 кэВ) -

Т1/2(2К,2; 0+-0+1) 5.4 1021 лет (90% у.д.);

2) близкий к резонансному 2К(0)-захват на возбуждённый уровень 2+(2838.49 кэВ) - Т1/2(2К,0; 0+-2+) 5.4 1021 лет (90% у.д.);

3) 2К(0)-захват на основной уровень с излучением одного тормозного фотона - Т1/2(2К,0+b) 5.5 1021 лет (90% у.д.).

2. Совместно с НИИ Физики им. В.А.Фока СПбГУ (д.ф.-м.н. Ф.Ф. Карпешин) выполнены расчёты характеристик излучений, сопровождающих двухнейтринный 2К-захват 124Хе.

Показано, что полное энерговыделение при заполнении 2К-вакансии дочернего 124Te составляет 64.46 кэВ, что превышает оценку, рассчитанную, как удвоенная энергия связи К-электрона в теллуре (63,62 кэВ). Энергия первого характеристического кванта, который является гиперсателлитом (например, K1H), равна 28.151 кэВ и превышает энергию 27.471 кэВ нормального К1-кванта на ~680 эВ. Второй характеристический квант является сателлитом (например, K1S) и его энергия на ~165 эВ выше энергии нормального кванта. Для оценки точности расчётов были рассчитаны энергии 29.817 кэВ и 29.497 кэВ нормальных характеристических К1- и К2- квантов. В справочнике приводятся значения 29.779 кэВ и 29.458 кэВ соответственно, что в пределах 50 эВ совпадает с результатами расчётов. Таким образом, можно считать, что использованная для расчётов модель позволяет определить энергии характеристических фотонов, возникающих при заполнении 2К-вакансии дочернего 124Te, с точностью не хуже 50 эВ.

С целью определения вероятности возникновения двойной К-вакансии в оболочке атома при поглощении одного фотона с подходящей энергией проведены две серии измерений на счётчике, заполненном сначала ксеноном, затем криптоном. Счётчик облучался излучением 88 кэВ от источника 109Cd. С помощью платы цифрового осциллографа в память персонального компьютера записывались полные формы импульсов. Для ксенонового наполнения полное количество зарегистрированных импульсов составило 4.2107, для криптонового – 2.5107. Время набора статистики составило 3600 час. и 2000 час. соответственно. Завершается обработка данных для ксенона, начата обработка данных для криптона.

3. Продолжалась работа по программе поиска 2К-захвата 124Хе. В рамках этой работы завершена обработка данных, накопленных за 13600 час. в измерениях фона детектора с образцом ксенона, не содержащим изотопа 124Хе. Из анализа распределений трёхточечных событий в фоновом спектре найдено, что за один год измерений с образцом ксенона рабочим объёмом ~38 л при 100% обогащении по 124Хе чувствительность установки по периоду полураспада относительно 2К-захвата равна 1.41022 лет.

В связи с развёртыванием работ по подготовке эксперимента по поиску стерильных нейтрино возникла необходимостью освободить помещение лаборатории, в которой располагалась установка «2К-захват». Установка (13 т Pb+1.5 т Cu) была разобрана, перемещена из камеры ГГНТ на подготовленное место в лабораторию НЛГЗ-4900 и смонтирована вновь.

Завершено частичное комплектование образца обогащённого ксенона. В настоящее время имеются образцы:

№1а (2012 г.) – объём 1.962 л; обогащён по 124Хе до 51.50% (1011 см3 изотопа). Сделан

из образца №1(2007 г.) - объёмом 60 л обогащён по изотопу 124Хе до 0.62% (372 см3 изотопа) путём дообогащения в ООО «Обеспечение НС»;

№2(2008 г.) - объёмом 1.26 л обогащён по 124Хе до 96.1% (1215 см3 изотопа);

№3(2009 г.) - объёмом 3.5 л обогащён по 124Хе до 44.76 % (1567 см3 изотопа);

№4(2010 г.) - объёмом 3.0 л обогащён по 124Хе до 49.25 % (1478 см3 изотопа);

№5(2011 г.) - объёмом 1.11 л обогащён по 124Хе до 99.602% (1106 см3 изотопа);

№6(2012 г.) – объёмом 1.31 л обогащён по 124Хе до 99.97% (1309 см3 изотопа)

При полном объединении образцов №1а, №2, №3, №4, №5, №6 можно получить образец объёмом 12.142 л с обогащением по 124Хе до ~62.95 % (7686 см3 изотопа). Ожидаемая чувствительность за один год измерений составляет 2.41021 лет при условии, что в рабочем объёме счётчика находится 6500 см3 изотопа.

Для достижения достаточно высокой эффективности регистрации характеристического излучения с энергией ~28 кэВ из оболочки дочернего 124Te требуется давление рабочего газа в счётчике ~5 атм, поэтому полученный обогащённый образец должен быть дополнен подходящим газом до полного объёма ~50 л. Рассмотрены два различных варианта добавок. При использовании ксенона в качестве добавочного балластного газа при давлении 4.8 атм. в счётчике достигается эффективность регистрации 28 кэВ-квантов от источника, равномерно распределённого по объёму, равная 0.67. В случае поступления дополнительных высокообогащённых образцов ксенона придётся вносить их в уже приготовленный образец с полным объёмом ~50 л. Суммарный выигрыш при сохранении рабочего давления будет незначительный. Более привлекательным представляется вариант использования криптона в качестве балластного газа. В нашем распоряжении имеется образец криптона объёмом ~100 л без примесей радиоактивного 85Kr. Этот газ использовался для измерения фона на этапе поиска 2К-захвата 78Kr. При добавлении ~38 л криптона будет получен образец 24%Хе+76%Kr. При давлении 4.8 атм. эффективность регистрации 28 кэВ-квантов в таком газе равна 0.735, причём 80% этих квантов поглощаются фотоэффектом на атомах криптона. При этом возникает характеристическое излучение криптона с энергией ~12.6 кэВ. Оно с эффективностью 0.89 также поглощается в пределах счётчика. Таким образом, количество точечно-подобных областей, по которым распределено полное энерговыделение от 2К-захвата 124Хе, может возрасти для части событий до пяти. Этот уникальный признак может позволить дополнительно снизить фон в эксперименте. Другой привлекательной возможностью представляется возможность разделять рабочую смесь на компоненты с помощью имеющейся газо-вакуумной установки и комплекта ловушек, охлаждаемых жидким азотом. При этом проблема оптимального смешивания с новым обогащённым образцом исчезает.

Начата работа по очистке объединённого образца обогащённого ксенона от примесей криптона, содержащего радиоактивный 85Kr. Предполагается «промыть» ксенон высокочистым криптоном, рассмотренным выше.

Публикации 2012 года

1. Ю.М. Гаврилюк, А.М. Гангапшев, Д.А. Жантудуева, В.В. Казалов, В.В. Кузьминов,

С.И. Панасенко, С.С. Раткевич, К.В. Эфендиев, С.П. Якименко. «Результаты экспериментов по поиску 2К-захвата 78Kr и 2-распада 136Хе с помощью пропорциональных счётчиков».

Статья на основе доклада на научной сессии-конференции «Физика фундаментальных взаимодействий», г. Москва, ИТЭФ, 21 - 25 ноября 2011 г. Направлена в журнал «Ядерная физика», принята к публикации в 2013 г.

2. Yu.M. Gavrilyuk, A.M. Gangapshev, V.V. Kazalov, V.V. Kuzminov, S.I. Panasenko and

S.S. Ratkevich. “Indications of 22K-capture in 78Kr”.

Направлена в журнал Physical Review C, принята к публикации в 2013 г.

Поддержка работы за счет грантов РФФИ, госконтрактов, внебюджетных и прочих средств.

Грант РФФИ № 11-02-00761-а

«Теоретическое и экспериментальное модельное исследование характеристик излучений, сопровождающих 2К-захват»

Руководитель – Кузьминов В.В.

Проект 1.7. «Поиск массы нейтрино прямым методом в бета-распаде трития»

Руководитель проекта: Пантуев В.С.

В 2012г. проведено два методических сеанса измерений на установке «Троицк ню-масс». Первой задачей являлась оптимизация режима газового источника по температуре для работы с калибровочным изотопом 83mKr. Это связано с программой исследования свойств и возможных систематических эффектов в газовых тритиевых источниках по типу «Троицк ню-масс», в частности для установки KATRIN, Карлсруэ, Германия. Это наблюдение плазменных эффектов и возникновение объёмного заряда, которые могут существенно исказить экспериментальные данные. Изотоп 83mKr при распаде даёт электроны с известными энергиями, практически монолинии. Изменение положения и ширины этих линий при распаде внутри газового источника явится однозначным указанием на существование нежелательных эффекторов. С помощью наполнения природным криптоном был подобран рабочий режим трубы источника с температурой чуть выше точки замерзания или конденсации криптона, около 90К, Рис.1.

Рис.1. Слева: показания по масс-анализатору концентрации криптона, фиолетовая линия, в газовой системе в зависимости от времени при температуре газового источника ниже температуры замерзания. Справа: концентрация криптона в системе после эмпирического подбора степени подогрева трубы газового источника.

Рис.2. Интегральный спектр положения линий электронов от изотопа 83mKr в пустом источнике и при заполнении водородом.

Закончена обработка измеренных в 1997-2004 годах спектров бета- электронов в распадах трития с целью оценки верхнего предела на возможную примесь стерильных нейтрино в диапазоне масс 2-100 эВ. Стандартная модель физики частиц не полна. Об этом свидетельствуют ненулевая масса нейтрино и существование темной материи во Вселенной. Природа частиц темной материи неизвестна. К числу наиболее естественных кандидатов на роль темной материи относятся сравнительно тяжёлые стерильные нейтрино. Имеется ряд экспериментальных верхних оценок на возможную примесь стерильных нейтрино с использованием анализа бета-спектров распада различных ядер и по измерению ядер отдачи при К-захвате электронов. В диапазоне масс около 1кэВ верхнее ограничение не лучше 1%. Любые данные по примеси стерильных нейтрино в диапазоне до 100 эВ представляются крайне важными. Спектры бета электронов были обработаны вдали от граничной по энергии точке. Помимо стандартной функции описания спектров с предположением, что масса активного электронного нейтрино равна нулю, была добавлена аналогичная функция в предположении дополнительного четвёртого собственного состояния нейтрино по массе. В результате фитирования с помощью минимизации функции правдоподобия были получены ограничения на примесь тяжёлого нейтрино и члена, U24, в матрице смешивания в зависимости от массы тяжёлого нейтрино, m4, Рис.3.

Рис. 3. Ограничения на величину матричного элемента в матрице смешивания тяжёлых нейтрино, U24, в электронном антинейтрино в зависимости от массы тяжёлого нейтрино.

По результатам обработки была написана статья, отправлена и принята в печать в журнал «Письма в ЖЭТФ». Препринт статьи выложен в Интернете – arxiv:1211.7193

В декабре проведён методический сеанс на установке «Троицк ню-масс». Основными целями сеанса были испытание новой замкнутой системы водяного охлаждения вакуумных насосов, испытание работы патрона газовой очистки, а также проведение измерений функции пропускания спектрометра для электронов существенно ниже граничной точки при распаде трития. Данная область для нового спектрометра до этого не исследовалась. Эта задача связана с оценкой возможности работы спектрометра и регистрирующей аппаратуры при измерениях в условиях больших загрузок вдали от максимальной энергии бета-спектра. Это является исследовательской работой для изучения принципиальных возможностей поиска сигналов тяжёлых стерильных нейтрино в бета распаде ядер. Полученные результаты обрабатываются.

Измерения проводились с помощью электронной пушки. На рисунке 4 приводятся полученные экспериментальные точки для функции пропускания спектрометра для электронов с энергией около 19 кэВ. Это предварительные данные, которые требуют дальнейшей обработки. Существенным является оценка формы функции пропускания и её точность в интервале энергий 15-19 кэВ.

Рис.4. Измеренная функция пропускания интегрального спектрометра для моноэлектронов из электронной пушки с энергией 19 кэВ.

Активно ведётся модернизация системы медленного контроля над параметрами установки. Это включает вывод на компьютер всех датчиков давления и температуры, состояния сверхпроводящих соленоидов.

В 2012 году была защищена одна кандидатская диссертация по теме проекта.

Как уже отмечалось послана и уже принята к печати в «Письма в ЖЭТФ» статья по верхним пределам для стерильных нейтрино, arxiv:1211.7193.

Проект 1.8. «ОГРАН-Опто-аккустическая Гравитационная Антенна для поиска и исследования гравитационных волн и слабых сейсмических процессов»

Руководители: ИЯИ РАН Л.Б.Безруков, ГАИШ МГУ В.Н.Руденко, ИЛФ СО РАН ак.С.Н.Багаев.

В текущем году выполнялись работы по оптимизации чувствительности большой установки ОГРАН с целью достижения проектных параметров. После модернизации сейсмо-акустической изоляции блока считывания сигнала (опорного «резонатора- дискриминатора»), и замены конструкций крепления его зеркал удалось существенно снизить влияние шумов окружения и собственных тепловых резонансов дискриминатора. В результате чувствительность возросла на порядок и составляет на момент отчета 10^{-18} /Гц^{1/2} в единицах метрических вариаций в полосе 0,2 Гц. Для выхода на проектную чувствительность требуется расширение полосы приема в 5 раз. Определен источник избыточного шума – это паразитная синхронная компонента амплитудных вариаций фазового электро -оптического модулятора в основном оптическом тракте детектора, вызванная нестабильностью ориентации оптического луча по оси нелинейного кристалла модулятора. Ожидается, что устранение этой нестабильности за счет дополнительной цепи обратной связи, поддерживающей угловую ориентацию луча, позволит расширить полосу приема до нескольких герц, обеспечивая тем самым выход на проектный режим.

Работы выполнялись на большой установке ОГРАН в лабораторно-цеховом помещении на московской базе ГАИШ. Параллельно начат процесс передислокации установки в подземное расположение БНО РАН. Уже перевезены и установлены в лаборатории ПК-14 Главной штольни БНО такие крупногабаритные компоненты как оптическая платформа,

камера опорного резонатора с откачным блоком, пост чистой атмосферы. Кроме того, работает в режиме непрерывного мониторинга гравитационный градиентометр геофизического уровня «Улитка», призванный играть роль фильтра антисовпадений для антенны ОГРАН. Двухгодичные результаты наблюдений на антенне «Улитка» опубликованы в АЖ в 2012 г.

Публикации 2012 г.:

АНАЛИЗ ШУМОВОГО ФОНА УСТАНОВКИ “УЛИТКА” КАК ФИЛЬТРА АНТИСОВПАДЕНИЙ

ДЛЯ ГРАВИТАЦИОННО-ВОЛНОВОЙ АНТЕННЫ ОГРАН_c 2012 г. Ю. М. Гаврилюк1*, А. В. Гусев2, В. В. Кул агин2, В. А. Крысанов1, А. М. Мотылев2, С. И. Орешкин2, В.Н.Руденко2, В. А. Силин2, А. Н. Цепков2

АСТРОНОМИЧЕСКИЙЖУРНАЛ, 2012, том 89,№7, с. 1–16

Проект 1.9. «Изучение взаимодействий нейтрино в детекторе OPERA по результатам обработки эмульсий на установке ПАВИКОМ»

Руководитель проекта: Н.Г.Полухина

В последние десятилетия на ускорителях элементарных частиц ведутся интенсивные исследования процессов образования и распада короткоживущих частиц, время жизни которых составляют 10-12 -10-14 с. Для экспериментального изучения процессов с участием короткоживущих частиц требуется создание детекторов, обладающих высоким пространственным разрешением, позволяющем идентифицировать пробеги частиц в несколько десятков и сотен микрон. Как показали нейтринные эксперименты Е-531, WA-95 и др., с лучшей стороны зарекомендовали себя мишени из ядерной фотоэмульсии, которые служат одновременно вершинным детектором. Массы фотоэмульсионных мишеней в этих экспериментах исчисляются сотнями и тысячами килограммов, а объемы — сотнями кубометров. В одном из наиболее крупных амбициозных международных нейтринных экспериментов - OPERA, результаты которого могут иметь первостепенное значение для физики элементарных частиц и астрофизики, основным элементом детектора являются слои ядерной фотоэмульсии, общее количество использованной фотоэмульсии - около 100 т. OPERA стал первым экспериментом на "появление", в котором осцилляции изучают путем прямого наблюдения распадов -лептонов, образованных в - СС взаимодействиях. Идентифицируются моды распадов - лептонов, содержащие одну заряженную частицу:

– h– (n0), – –, – e– e.

Значительный парциальный выход этих каналов – 49,5%, 17,7% и 17,8% соответственно для адронной, мюонной и электронной моды, а также низкий уровень фоновых процессов, имитирующих эти распады, гарантирует высокую надежность регистрации осцилляций. OPERA также чувствителен к осцилляциям e, что позволит исследовать элементы матрицы смешивания на основе трехароматового анализа.

Эксперимент OPERA успешно набирает статистику с 2008 года. На данный момент завершена обработка данных 2008-2009 г.г., данные 2010-2011 г.г. находятся в обработке. К июню 2012 года по результатам обработки локализовано и анализируется 4611 событий взаимодействий нейтрино. В 4126 событий произведен поиск распада, из них 3224 событий по каналу заряженного тока. 55 событий идентифицировано как события с рождением чармированных частиц, 24 события – с e, Уже обнаружено два события с рождением тау-лептона.

Второй тау-лептон, идентифицированный в эксперименте OPERA.

Для эффективного поиска и обработки событий в таких больших объемах ядерной фотоэмульсии создаются специальные трех-координатные автоматические сканирующие комплексы с высочайшими показателями линейных и угловых точностей измерений (например, в ФИАНе – комплекс ПАВИКОМ, в НИИЯФ МГУ – ВИСКАН).

Таблица 1. Характеристики микроскопов комплекса ПАВИКОМ.

	ПАВИКОМ-1	ПАВИКОМ-2	ПАВИКОМ-3
Диапазон перемещения стола и объектива микроскопа, мм	800 400 200	120 100 10	205 205 305
Точность измерения координат, мкм	0.5	0.25	0.2
Максимальный размер изображения	1360 1024	1280 1024	1280 1024
Максимальная глубина цвета, бит	10	10	10
Максимальное количество кадров в секунду	30	500	500