Главная > Научно-исследовательская работа


Эксперимент по поиску нейтронов, индуцированных процессом сонолюминисценции на тяжёлой воде.

Руководитель темы: Анатолий Алексеевич Смольников

За отчётный период были проведены дальнейшие исследования, направленные на увеличение чувствительности регистрации низких потоков нейтронов в условиях высокого уровня гамма-фона. Для достижения требуемого фактора дискриминации нейтронов от гамма-излучения была разработана и опробована техника отбора событий по форме импульса (на первом этапе с простой электроникой с применением времени пересечения нулевого уровня) на специально сконструированном прототипе детектора с эффективным объемом 1 литр.

В конструкции прототипа детектора была применена новая идея. Именно, тефлоновая кювета (95 мм высотой и 100 мм диаметром), заполненная жидким сцинтиллятором, соединяется непосредственно с ФЭУ без какого либо прозрачного световода. Такая оригинальная конструкция детектора вместе с примененным высокоэффективным отражателем позволили значительно улучшить спектрометрические свойства детектора по сравнению со «стандартными» детекторами с кюветами из стекла или металла. В результате было достигнуто энергетическое разрешение 0.12/Eee(MэВ)%, где Eee – это так называемая энергия в электронном эквиваленте (на световыход сцинтиллятора).

На данном прототипе детектора было протестировано несколько типов жидких сцинтилляторов с целью выбора наилучшего по фактору отбора нейтронов от гамма. Лучший результат был получен с жидким сцинтиллятором NE-213 (после долговременного барбатирования аргоном). Для проверки работоспособности примененного метода и для оценки относительной эффективности отбора нейтронов от гамма был использован Pu-Be источник, испускающий одновременно нейтроны и гамма-кванты. Было проведено несколько серий измерений с Pu-Be источником в условиях различной защиты. Именно, 1) без защиты между детектором и источником; 2) с защитой из 5 и 10 см свинца – для подавления, в основном, гамма-излучения; 3) с защитой из 15 см парафина – для подавления, в основном, нейтронного излучения.

Основные результаты, полученные в ходе выполнения проекта.

Как следует из спектров, представленных на Рис.1, в результате был достигнут хороший фактор отбора нейтронов от гамма, сравнимый с лучшими опубликованными мировыми результатами. Дальнейшее улучшение мы планируем сделать с применением более сложной электроники (цифровой осциллоскоп) и метода цифрового сравнения зарядов.

Рис. 1. Дискриминация нейтронов и гамма, испускаемых Pu-Be источником, при различных условиях защиты.

Краткое содержание работы на следующий год).

Планируется физический пуск прототипа высокочувствительного нейтронного спектрометра, предназначенного для регистрации малых потоков нейтронов в условиях высокого уровня внешнего гамма-фона. Будут проведены первые измерениямногопузырьковой сонолюминисценции, индуцированной нейтронами, на охлажденном ацетоне с помощью нейтронного генератора и прототипа нейтронного спектрометра.

Участие в международном эксперименте NEMO-3 по поиску и исследованию двойного бета распада изотопов 48 Ca, 82 Se, 96 Zr, 100 Mo, 116 Cd, 130 Te, 150 Nd

Руководитель темы: Анатолий Алексеевич Смольников

Комплексная (трековые газовые детекторы + сцинтилляционные калориметры + магнитное поле) установка NEMO-3, способна измерять не только суммарную энергию электронов ββ-распада, но и все остальные параметры этого процесса одновременно для всех практически интересных ββ-изотопов с общей массой до 20 кг. Установка NEMO-3 имеет форму тора и представляет собой разборную модульную конструкцию из 20 сегментов. Регистрирующая система NEMO-3 включает в себя трековый детектор на основе 6180 гейгеровских газовых счётчиков и калориметр, состоящий из 1940 пластмассовых сцинтилляторов, просматриваемых низкофоновыми ФЭУ. Источники двойного бета распада, изготовленные из обогащенных изотопов, выполнены в виде тонкослойных фольг и помещаются непосредственно в газовый объём трековой части установки. Таким образом, в настоящее время в NEMO-3 одновременно измеряются 7 ββ-изотопов (48Ca, 82Se, 96Zr, 100Mo, 116Cd, 130Te, 150Nd) общей массой около 10 кг.

В июне 2002 года начались первые тестовые измерения на установке NEMO-3. В 2003 г. было проведено множество измерений в различных режимах, результате чего были выбраны оптимальные режимы работы спектрометра: пороги, триггеры, состав газовой смеси и высокое напряжение для трекового детектора. Было определено оптимальное значение величины магнитного поля электромагнита, используемого для разделения e+, e-. В 2004 г. проведены временные и энергетические калибровки спектрометра как с источниками 60Co, 137Cs, 207Bi, 90Sr, так и с нейтронным источником AmBe. Проведена оценка содержания Rn в газовой смеси трекового детектора. Опробованы и отлаживались программы управления экспериментом, накопления, передачи и обработки данных. Закончено создание базы данных. Была смонтирована нейтронная защита, представляющая собой комбинацию танков с борированной водой, дерева и полиэтилена. Смонтирован специальный тент для защиты установки от проникновения радона и система очистки воздуха от радона.

14 февраля 2003 года начался полномасштабный набор данных, который продолжается и в настоящее время.

Основные результаты, полученные в ходе выполнения проекта.

Получены первые предварительные результаты по исследованию двойного нейтринного и двойного безнейтринного бета распада для изотопов 82Se, 100Mo, 116Cd и 150Nd. Группа БНО ИЯИ РАН ответственна за проведение измерений и обработку результатов с образцами обогащенных изотопов 150Nd и 96Zr. За первые 168.4 суток измерений 150Nd на установке NEMO-3 было выделено 449 событий, относящихся к двухнейтринному ββ-распаду, при отношении сигнал/фон = 2.8, что позволяет определить величину периода полураспада = [0.97 ±0.07 (stat) ±0.1 (syst)]x1019 лет. Также были установлены ограничения на безнейтринный ββ-распад 150Nd : >1.4 х 1021 y, и майоронную моду ββ-распада: >2.6 х 1020 y (90% CL.).

Участниками эксперимента NEMO-3 на настоящий момент также уже обработаны данные по изотопам 100Mo и 82Se за 241.5 суток измерений, полученные результаты сведены в табл.1.

Табл.1 Предварительные результаты эксперимента NEMO-3, полученные в 2004 г.

Isotope

t, days

Nev

, 1019 y.

,

90% CL., 1022 y.

,

90% CL., 1021 y.

100Mo

241.5

145245

0.768 ± 0.002 (stat) ± 0.06 (syst)

>31

>14

82Se

241.5

2385

10.3 ± 0.3 (stat) ± 0.7 (syst)

>14

>12

116Cd

164.8

336

3.1 ± 0.15 (stat) ± 0.3 (syst)

>1.6

>1.7

150Nd

164.8

449

0.97 ± 0.07 (stat) ± 0.1 (syst)

>0.14

>0.26

96Zr

164.8

72

2.0 ± 0.3 (stat) ± 0.2 (syst)

Публикации.

  1. C. Marquet et al. // Influence of neutrons and gamma rays in the Frejus Underground Laboratory on the NEMO experiment. // Nucl. Inst. Meth. A 457 (2001) 487.

  2. C.J.M. Longuemare et al. // The double beta decay experiment NEMO-3. // Particles and Nuclei, Letters 3 [106] (2001) 62-68.

  3. R. Arnold et al. // Chemical purification of molybdenum samples for the NEMO 3 experiment. // Nucl. Inst. Meth. A 474 (2001) 93-100.

  4. A.S.Barabash et al. // Extrapolation of NEMO technique to future generation of 2-decay experiments. // Czech. J. Phys. 52 (2002) 575.

  5. H. Ohsumi et al. // Gamma-ray flux in the Frejus underground laboratory measured with NaI detector. // Nucl. Inst. Meth. A 482 (2002) 832-839.

  6. D. Lalanne et al. // Initial runs of the NEMO3 experiment. // Preprint LAL 02-30, Orsay.

  7. L. Simard et al. // Status report on the double-beta decay experiment NEMO-3. Nucl. Phys. B (Proc. Suppl.), 110 (2002) 372.

  8. L.Vala et al. // Search for the 2 decay of 100Mo to the excited state in 100Ru in the NEMO3 experiment – preliminary results. // LAL, Orsay: LV 021205.

  9. L.Vala et al. // Status report on the double-beta decay experiment NEMO3. // Czech. J.Phys. 52 (2002) 557-560.

  10. tton et al. // An update on the start-up of the double-beta-decay experiment NEMO3.// Ядерная физика, т.65, № 12 (2002), 2261-2264.

  11. R.Arnold et al. // Possible background reductions in double beta decay experiment.// Nucl. Inst. Meth., A503 (2003) 649-657.

  12. R. Arnold et al. // Study of 2β-decay of 100Mo and 82Se using the NEMO 3 detector. // Pisma v ZhETF, vol.80, 6, (2004) 429-433.

Краткое содержание работы на следующий год

В эксперименте NEMO-3 планируется продолжать набор данных в течение 5 лет, до 2007 года. Поэтому в 2005 г. будет проводиться обработка текущей экспериментальной информации. Для дальнейшего развития адекватных ядерных моделей большой интерес представляет также более детальное исследование формы суммарных и одиночных b-спектров при исследовании 2b2n-распада различных изотопов. В 2005 г. планируется проведение дополнительных работ по снижению уровня радона в трековом объёме установки. Основные усилия при наборе и обработке данных будут направлены на уменьшение статистических ошибок.

Международный эксперимент по поиску двойного бета-распада на Ge-76

Руководитель темы: Анатолий Алексеевич Смольников

Продолжалась совместная обработка экспериментальных данных, полученных ранее в эксперименте IGEX-DB по поиску безнейтринного двойного бета распада Ge-76. Международная коллаборация IGEX работала с шестью HPGe детекторами, изготовленными из обогащённого 76Ge (86%), суммарный активный объём которых равен ~8 кг 76Ge. Три обогащённых детектора и один необогащённый, каждый с массой около 1 кг, в настоящее время работают в Баксанской нейтринной обсерватории (IGEX/BAKSAN Phase), а три других обогащённых детектора, каждый с массой около 2 кг, работали в подземной лаборатории Канфранк (Испания) (IGEX/ CANFRANC Phase).

По результатам многолетних измерений в эксперименте IGEX-DB были сначала проанализированы все данные, набранные за экспозицию 10 кг лет (117 моль 76Ge лет) вплоть до 2000 года со всеми шестью HP 76Ge детекторами (CANFRANC и BAKSAN). Затем для части данных (52 моль 76Ge лет), которые набирались с оцифровкой формы импульсов на трёх детекторах (CANFRANC) был применён анализ формы импульса для отбора полезных событий.

В 2004 г. проводились как методические работы, включающие дополнительные измерения на детекторах и их предусилителях, так и работы по разработке программ для отбора событий. Были измерены функции передачи и искажения дельтаобразного сигнала от генератора в первом каскаде зарядочувствительных усилителей. Полученные функции передачи были выражены в аналитическом виде и заложены в программы распознавания. Алгоритм данных программ и соответствующие параметры отбора были протестированы на экспериментальных данных, набранных с двух детекторов RG2 и RG3 с источником Na-22 и при заполнении рабочего объёма радоном. После отладки разработанного алгоритма данная программа была использована для отбора полезных событий как по всему энергетическому спектру, так и для области интереса в районе безнейтринного - распада (от 2 до 2.5 МэВ).

Основные результаты, полученные в ходе выполнения проекта.

В результате в области интереса удалось отрежектировать около 60% заведомо фоновых событий и снизить фон до 0.09 событий/год х кг х кэВ. Это дало возможность для улучшения полученного ранее ограничения на время жизни 76Ge относительно безнейтринного - распада.

Публикации.

  1. D.Gonz´alez, J.Morales, S.Cebri´an, E.Garc´ıa, I.G.Irastorza, A.Morales, A.Ortiz de Sol´orzano, J.Puimed´on, M.L. Sarsa, J.A. Villara C.E.Aalsethb, F.T.Avignone III,R.L.Brodzinski, W.K.Hensley, H.S.Miley, J.H.Reeves, I.V.Kirpichnikov, A.A.Klimenko, S.B.Osetrov, A.A.Smolnikov, A.A.Vasenko, S.I.Vasiliev, V.S.Pogosov, A.G.Tamanyan, Pulse Shape Discrimination in the IGEX Experiment, (to be published in Phys.Lett.)

Краткое содержание работы на следующий год.

Будет продолжена совместная обработка экспериментальных данных, полученных ранее в эксперименте IGEX-DB по поиску безнейтринного двойного бета распада Ge-76. Планируется дальнейшая отладка методов и разработка новых алгоритмов для отбора полезных событий по форме импульса как по всему энергетическому спектру, так и для области интереса в районе безнейтринного - распада.

Разработка и создание альтернативных детекторов космических нейтрино ультравысоких и экстремально высоких энергий (1015-1021 эВ и выше)

Руководитель темы: Игорь Михайлович Железных

Подтема 1. Глубоководный нейтринный телескоп в Средиземном море - проект НЕСТОР: участие в разработке прототипа детектора НЕСТОР, разработка глубоководного фотометра.

Подтема 2. Разработка и создание глубоководного акустического нейтринного телескопа САДКО с регистрирующим объёмом водной мишени более 1 кубического км для детектирования космических нейтрино с энергиями выше 5*1015 эВ: разработка базового модуля детектора САДКО на основе антенны МГ-10М со 132 гидрофонами (совместно с Камчатским гидрофизическим институтом и Акустическим институтом им.Н.Н.Андреева).

Подтема 3. Разработка радиоволновых методов детектирования космических нейтрино: проведение НИР с целью подготовки совместного российско-американского эксперимента на российской антарктической станции Восток по калибровке радиоволнового детектора нейтрино экстремально высоких энергий АНИТА при пролёте американского стратостата с аппаратурой вблизи Востока в сезонах 2004-2005 г.г. (совместно с Физическим институтом им. П.Н.Лебедева РАН, Арктическим и Антарктическим НИИ, Санкт-Петербург, и Канзасским университетом, США).

- моделирование интенсивности электромагнитного поля, выходящего из ледника в атмосферу от электрон-фотонных каскадов, инициированных горизонтальным потоком нейтрино в леднике;

- анализ результатов экспериментов на Калязинском 64 м радиотелескопе по поиску наносекундных радиоимпульсов от электрон–адронных каскадов, производимых в лунном грунте нейтрино (адронами) предельно высоких энергий 1020-1021 эВ (совместно с Пущинской радиоастрономической обсерваторией Физического института им. П.Н.Лебедева).

Основные результаты, полученные в ходе выполнения проекта.

Проект НЕСТОР:

- в рамках программы разработки и создания элементов прототипа нейтринного телескопа НЕСТОР в механических мастерских ИЯИ РАН проведены работы по изготовлению деталей из титановых сплавов для механической решётки нейтринного телескопа;

- разработана методика калибровки глубоководного фотометра (создаваемого в ИЯИ РАН на основе лавинных фотодиодов нового типа), в которой используются растворы, содержащие коллоидные частицы размером от 0.1 до 1 мкм; проведены тестовые испытания с измерением индикатрис рассеяния в различных растворах;

- проведены расчёты отклика фотоумножителей в прототипе детектора НЕСТОР на потоки черенковских фотонов, излучаемых мюонами и электронно-фотонными каскадами в воде, с учётом рассеяния фотонов при их распространении в водной среде и пространственной конфигурации ФЭУ в детекторе.

Проект САДКО:

- рассмотрена возможность использования снятой с вооружения ВМФ РФ антенны типа МГ-10 в качестве базового модуля акустического детектора нейтрино; на заводе в Санкт-Петербурге выполнены работы по восстановлению защитного покрытия экранов каркаса антенны МГ-10М, принадлежащей ИЯИ РАН;

- проведено численное моделирование распространения звуковых полей, порождаемых электронно-адронными каскадами от нейтрино, в океанической среде при различных гидролого-акустических условиях (зимнее и летнее время); показано, что в антенне целесообразно введение дополнительных каналов вертикальной направленности (модернизация антенны) с целью лучшей отстройки от возможных помех, связанных с рассеянием звука на взволнованной поверхности моря, а также определения направления оси каскада (траектории нейтрино) в пространстве;

- совместно с Гавайским университетом (США), Акустическим институтом (Москва) и Институтом физики Азербайджанской АН (Баку) составлен проект «The Development of a Hydro-Acoustic Detector for Ultra-High Energy Neutrino Astrophysics», который подан на конкурс кооперативных грантов CRDF (США) в августе 2004 г.

Проект РАДИКАЛ:

- с целью развития радиоволнового метода детектирования космических нейтрино сверхвысоких энергий в Антарктиде и содействия экспериментальным исследованиям по нейтринной астрофизике на российской антарктической станции Восток (проект РАМАНД) и на Южном Полюсе (проект RICE) ИЯИ РАН и Канзасским университетом разработана программа совместных исследований и заключён договор о научном сотрудничестве между ними в 2004-2007 г.г.;

- программа работ по калибровке радиоволнового детектора нейтрино экстремально высоких энергий АНИТА при пролете американского стратостата с аппаратурой вблизи антарктической станции Восток (РАДИКАЛ) получила поддержку американского фонда Гражданских Исследований и Развития – CRDF (рук. проекта И.М. Железных, ИЯИ РАН, и Д. Бессон, Канзасский университет; в проекте принимают участие А.Л. Проворов, А.В. Буткевич, а также сотрудники ФИАН, ААНИИ и МГУ);

- проведено моделирование электронно-фотонных каскадов в приповерхностном снежно-фирновом слое антарктического ледника для энергий до 1 ПэВ, проведён расчёт электромагнитного поля, генерированного электронно-фотонным каскадом, в ближней зоне и определены условия выхода излучения из ледника в атмосферу;

Проект РАМХАНД - поиск космических нейтрино с энергиями 1020 эВ и выше по наблюдениям на 64-метровом Калязинском радиотелескопе:

- совместно с ПРАО ФИАН (рук. Р.Д. Дагкесаманский) проведён анализ результатов экспериментов 2002-2004 г.г. на Калязинском 64 м радиотелескопе по поиску наносекундных радиоимпульсов от электрон –адронных каскадов, производимых в лунном грунте нейтрино предельно высоких энергий 1020-1021 эВ, и получены ограничения на поток космических нейтрино таких энергий. Подобные измерения потока высокоэнергичных нейтрино радиоастрономическим методом проводились в США на базе НАСА в Голдстоуне. И чувствительность радиотелескопов, и общая экспозиция лунной мишени в обоих экспериментах на сегодня примерно одинаковы.

Публикации.

  1. Березняк А.Р., Дагкесаманский Р.Д., Железных И.М., Коваленко А.В.,Орешко В.В., «Ограничения на поток нейтрино сверхвысоких энергий по радиоастрономическим наблюдениям» (Астрон. ж., 2005, т.82, №2, стр.1-8.);

  2. Железных И.М., «Радиоволновое детектирование космических нейтрино сверхвысоких энергий в Антарктиде» (доклад на ХХI Всероссийской конференции «Актуальные проблемы внегалактической астрономии», Пущино, апрель 2004 г.);

  3. Zheleznykh I., “Alternative detection of ultra-high energy cosmic neutrinos”, 13th Int. Seminar on High Energy Physics QUARKS’2004, Pushkinskie Gory, Russia, May 24-30, 2004;

  4. Железных И.М., «Альтернативные (гидроакустические и радиоволновые) детекторы нейтрино сверхвысоких энергий» (доклад на школе-семинаре студентов и молодых ученых «Фундаментальные взаимодействия и космология», ИЯИ РАН, 16-18 ноября 2004.

Краткое содержание работы на следующий год.

НЕСТОР:

- участие в разработке и создании нейтринного телескопа в Средиземном море, разработка фотометрической ячейки на базе лавинных фотодиодов, моделирование отклика детектора на нейтринные события;

САДКО (совместно с АКИН и КГФИ):

- проведение первого этапа разработки и создания модуля гидроакустического нейтринного телескопа в Каспийском море (или других подходящих морях) на основе модификации антенны МГ-10М,

- разработка программы эксперимента в Каспийском море для проведения тестовых испытаний модуля САДКО с использованием нефтяной платформы недалеко от Баку.

РАДИКАЛ:

- разработка метода быстрого моделирования «трехмерных» электронно-адронных каскадов сверхвысоких и экстремально высоких энергий с учётом эффекта Ландау-Померанчука-Мигдала и главных флуктуаций (совместно с МГУ);

- подготовка к проведению на Востоке в декабре 2005 – январе 2006 г.г. калибровочных измерений, необходимых для детектора АНИТА, с использованием антенн, располагаемых как на поверхности ледника, так и в скважинах (совместно с ФИАН и ААНИИ).

РАМХАНД: Поиск космических нейтрино с энергиями 1020 эВ и выше по наблюдениям на 64-метровом Калязинском радиотелескопе (совместно с ПРАО Астрономического центра ФИАН, рук. Р.Д. Дагкесаманский):

- расчёты черенковского радиоизлучения каскадов, производимых нейтрино экстремально высоких энергий в лунном грунте, и выхода черенковских радиоимпульсов из поверхностных слоёв Луны.



Скачать документ

Похожие документы:

  1. Научно-исследовательская работа по направлениям темам Физика элементарных частиц физика высоких энергий теория калибровочных полей и фундаментальных взаимодействий космология Теоретические проблемы физики частиц и космологии

    Научно-исследовательская работа
    ... стр Научно-исследовательскаяработапонаправлениям, темамФизикаэлементарныхчастиц, физикавысокихэнергий, теориякалибровочныхполей и фундаментальныхвзаимодействий, космологияТеоретическиепроблемыфизикичастиц и космологии Руководитель темы ...
  2. Н20 Концепции современного естествознания

    Список учебников
    ... элементарныхчастиц. 25. Теорииэлементарныхчастиц (квантовая электродинамика, теория кварков, теория электрослабого взаимодействия, квантовая хромо-динамика). 26. Проблема единства физики ...
  3. Н20 Концепции современного естествознания (1)

    Список учебников
    ... элементарныхчастиц. 25. Теорииэлементарныхчастиц (квантовая электродинамика, теория кварков, теория электрослабого взаимодействия, квантовая хромо-динамика). 26. Проблема единства физики ...
  4. Н20 Концепции современного естествознания (2)

    Список учебников
    ... элементарныхчастиц. 25. Теорииэлементарныхчастиц (квантовая электродинамика, теория кварков, теория электрослабого взаимодействия, квантовая хромо-динамика). 26. Проблема единства физики ...
  5. Найдыш современного естествознания

    Список учебников
    ... элементарныхчастиц. 25. Теорииэлементарныхчастиц (квантовая электродинамика, теория кварков, теория электрослабого взаимодействия, квантовая хромо-динамика). 26. Проблема единства физики ...

Другие похожие документы..