Физика нейтрино 

Эксперимент по наблюдению упругого когерентного рассеяния нейтрино (антинейтрино) на атомном ядре с помощью двухфазного эмиссионного детектора.

Процесс упругого когерентного рассеяния нейтрино (или антинейтрино) на атомном ядре v + A → v′ + A′ предсказывается и хорошо описывается Стандартной моделью электрослабого взаимодействия – теорией, проверенной для всех других известных элементарных частиц и их взаимодействий. В процессе рассеяния нейтрино взаимодействует путем обмена Z-бозоном с атомным ядром в целом, т.е. когерентно. Это имеет место при энергиях нейтрино менее 50 МэВ, когда длина волны Де Бройля увеличивается до величины порядка размера атомного ядра. Сечение процесса упругого когерентного рассеяния нейтрино на атомном ядре описывается формулой: σ≈0.4·10-44 N2(Ev)2 см2, Где N – число нейтронов в атомном ядре, En - энергия нейтрино, выраженная в МэВ. Благодаря фактору N2 сечение данного процесса значительно превосходит сечения всех остальных известных процессов взаимодействия нейтрино с веществом, особенно для тяжелых атомных ядер, и поэтому, является основным каналом его взаимодействия. Данный процесс играет первостепенную роль в динамике сверхновых звезд, поскольку,  как хорошо известно, около 99% процентов гравитационной энергии звезды при ее коллапсе переходит в энергию нейтрино.

В процессе упругого рассеяния лишь небольшая часть энергии нейтрино передается атомному ядру. Однако, до настоящего времени не было экспериментального прямого наблюдения этого процесса в силу огромных технических трудностей его регистрации. Трудности обусловлены тем, что энерговыделение  происходит в основном в области менее 1 кэВ (для реакторных антинейтрино, если рассматривать ядерный реактор в качестве самого интенсивного искусственного источника нейтрино). При этом, для его обнаружения необходим низкопороговый детектор с большой массой (более нескольких кг), работающий в условиях низкого радиационного фона. Тем не менее, физики возлагают большие надежды на то, что этот процесс в ближайшем будущем будет не только открыт, но и использован в практических целях – для дистанционного нейтринного мониторинга ядерных реакторов. Причиной такого оптимизма, является то, что вероятность (сечение) данного процесса значительно превосходит вероятность известного процесса обратного бета-распада, с помощью которого была открыта частица антинейтрино (на ядре ксенона – в ~700 раз!), а разработанные в последнее время новые технологии детектирования частиц и излучений позволят в ближайшем будущем построить детектор для его регистрации. Отдельный научный интерес представляет поиск возможных отклонений от предсказаний Стандартной модели, наличие которых свидетельствовало бы о существовании "новой физики". Например, наличие у нейтрино ненулевого магнитного момента должно было бы вносить свой вклад в сечение процесса упругого когерентного рассеяния нейтрино на ядре.

Эмиссионный двухфазный детектор на жидком ксеноне РЭД-100.

Технология двухфазного эмиссионного детектора на конденсированном благородном газе является очень перспективной для наблюдения исследования процесса упругого когерентного рассеяния нейтрино на ядре. Данный метод регистрации частиц был предложен в 70-е годы в МИФИ нашими хорошо известными учеными – Б.А. Долгошеиным, В.Н. Лебеденко и Б.У. Родионовым. В наше время данный метод успешно используется в экспериментах по поиску темной материи во Вселенной в виде тяжелых слабовзаимодействующих частиц (WIMP – weakly interacting massive particles). Суть метода состоит в том, что взаимодействие частиц происходит с массивной жидкой частью детектора, затем произведенные в процессе ионизации электроны вытягиваются электрическим полем в газовую фазу над поверхностью жидкости, где их можно регистрировать хорошо отработанными методами с использованием различных методов усиления сигнала.

Детектор РЭД-100, построенный коллаборацией РЭД, в которую входят ИТЭФ, МИФИ и Курчатовский институт, предназначен для регистрации процесса упругого когерентного рассеяния нейтрино на атомном ядре. Детектор состоит из рабочего (чувствительного) объема, который задается сверху и снизу электродами, выполненными в виде оптически прозрачных сеток, а с боковых сторон – полезадающими кольцами, и заполнен жидким ксеноном в количестве около 200 кг. Нижняя сетка является катодом, на который подается потенциал до нескольких десятков киловольт. На систему колец подается равномерно распределенный потенциал, который обеспечивает однородное электрическое поле внутри рабочего объема детектора. Сверху находятся два электрода – GATE и анод. Электрод GATE находится под поверхностью жидкого ксенона, а анод – выше поверхности примерно на расстоянии 1 см. Между электродом GATE и анодом приложена разность потенциалов до 10 кВ. Сверху и снизу рабочий объем через оптически прозрачные сетки просматривается двумя матрицами специальных ультрафиолетовых низкофоновых фотоумножителей (ФЭУ) Hamamatsu R11410-20. Принцип работы детектора состоит в следующем. Частица, попавшая в чувствительный объем детектора производит возбуждение атомов ксенона и их ионизацию. Де-возбуждение атомов ксенона производит световой сцинтилляционный сигнал с длиной волны 175 нм. Электроны, образованные в результате ионизации дрейфуют к поверхности жидкого ксенона, где они под действием электрического поля, создаваемого разностью потенциалов между сетками GATE и анод, выходят с поверхности жидкости в газовую фазу ксенона (эмиссия электронов). В газовой фазе ксенона под действием ускоренных электронов в процессе их дрейфа происходит свечение газообразного ксенона, называемое электролюминесценцией или вторичной (пропорциональной) сцинтилляцией. Интенсивность этого свечения пропорциональна величине ионизации, произведенной в объеме детектора. Эмиссионный метод регистрации частиц в благородных газах является рекордным по чувствительности к предельно малой ионизации, обеспечивая при этом рекордно большую массу детектора в сотни килограмм и даже несколько тонн. В связи с этим, детектор такого типа является идеальным детектором для регистрации упругого когерентного рассеяния нейтрино. Для реакторных антинейтрино, энергетический спектр которых находится в области менее 10 МэВ и имеет максимум при энергии около 2 МэВ, энерговыделение в жидком ксеноне в виде кинетической энергии, переданной ядру отдачи ксенона, лежит в основном в области менее 1 кэВ. В этой области энергии ионизационный сигнал составляет всего несколько ионизационных электронов. Эмиссионный детектор с использованием электролюминесценции позволяет проводить спектроскопию отдельных ионизационных электронов, т.е. можно идентифицировать и выделить сигналы, произведенные одним, двумя, тремя и т.д. ионизационными электронами.

Проект постановки эксперимента по наблюдению упругого когерентного рассеяния нейтрино на атомном ядре на Калининской атомной электростанции (КАЭС).

Эксперимент предполагается проводить на 3-м или 4-м энергоблоках КАЭС на "нулевом" уровне (см. рисунок). В предполагаемом месте размещения установке (в 19 м от активной зоны реактора) поток антинейтрино составляет величину 1.35∙1013 см-2с-1. Детектор предполагается разместить в пассивной защите из ~10-15 см свинца и ~15 см воды для защиты от внешних гамма-лучей и нейтронов. Здание энергоблока, сам реактор и бассейн выдержки, находящиеся сверху, составляют защиту от ядерной компоненты космических лучей и мюонов эквивалентную приблизительно 60 м.в.э. 

Ожидаемый темп счета детектора в месте расположения установки составляет порядка 3500 событий в сутки. Предварительная оценка нейтронного фона показывает, что при использовании минимальной пассивной защиты ~10-15 см свинца и ~15 см воды он должен составлять приблизительно такое же значение. Основным его источником будет мюонная компонента космических лучей – spallation реакции в стенах здания реактора и окружающих конструкционных элементах.

В настоящее время установка РЭД-100 находится в стадии запуска в Лаборатории Экспериментальной Ядерной Физики НИЯУ МИФИ.

 

Неускорительная физика элементарных частиц

Прямой поиск ню-мю ню-тау осцилляций.
С 2007 года начат набор статистики в эксперименте ОПЕРА по поиску ню-мю ню-тау осцилляций, т.е. поиск перехода мюонного нейтрино в тау нейтрино (www.opera.cern.ch). В рамках этого эксперимента в 2010 году обнаружен первый случай прямого наблюдения перехода мюонного нейтрино в тау, т.е. наблюдение рождения тау-лептона в пучке мюонных нейтрино. Пучок мюонных нейтрино от SPS CERN с энергией 17 ГэВ пройдя 730 км под землей попадает в подземную лабораторию GRAN SASSO, где и расположена установка ОПЕРА. Группой из ИТЭФ совместно с Университетом г.Гамбурга для этой установки создан прецизионный мюонный треккер (www-opera.desy.de). В эксперименте помимо физиков ИТЭФ участвуют ученые из Бельгии, Болгарии, Германии, Израиля, Италии, Кореи, России, Турции, Франции, Хорватии, Швейцарии и Японии.

 

Ведутся работы по исследованию процессов двойного бета-распада в подземных лабораториях Фреджюс (Франция, эксперимент NEMO) и Гран Сассо (Италия, эксперимент DBA). В этих экспериментах были получены наиболее точные значения периодов полураспада Mo100, Cd116, Se82, Zn96 по двухнейтринному каналу и наиболее жесткие ограничения на распады с испусканием майорона.

 

Физика слабых взаимодействий