Д.Орехов

Нейтринные детекторы: Kamiokande-II, Super-Kamiokande и KamLand

KAMIOKANDE-II

Рис. 1. Схема детектора Kamiokande II

    В 1988 году японские ученые начали проводить эксперимент на подземном детекторе Kamiokande-II, который расположен на глубине 1000 м в шахте Камиока.
    Их эксперимент принципиально отличался от преведущих тем, что основным процессом является рассеяние солнечных нейтрино на электронах обычной воды. В результате столкновения нейтрино с каким-либо атомом, входящим в состав воды, ядро атома отскакивало, а из атомной оболочки вылетал электрон, создавая в воде черенковское излучение свечение темно-голубого цвета.

e^- + ν e^-' + ν.

    Данный эксперимент является прямым, т.е. фиксируется непосредственно выбивание электрона. Этим он отличается от, например, радиохимического эксперимента Homestake, продукты основной реакции которого не фиксируются, а факт взаимодействия определяется путем сложных химических методов, требующих большого времени и не дающих информации о направлении движения первоначального нейтрино.
    Такая методика позволяет регистрировать все типы нейтрино, но максимально она чувствительна к электронным нейтрино. Ее достоинство заключается в том, что можно определить достаточно точно, откуда прибыло нейтрино, так как вылетевший электрон сохраняет направление движения нейтрино. Для того чтобы поймать нейтрино, использовались 3000 тонн чистейшей воды, помещенной в стальной цилиндрический резервуар. 1000 фотоумножителей, размещенных на внутренней поверхности резервуара, фиксировали Черенковское излучение. Но подобно экспериментам Homеstake, Kamiokande-II обнаруживал только очень редкие высокоэнергетичные нейтрино. За тысячу дней наблюдений ученые обнаружили только 1/2 от ожидаемого потока таких нейтрино.
    Годы работы детектора: 1986-1995.
    Граничная энергия регистрируемых нейтрино = 7.5 MeV.
    Доля экспериментально обнаруженных нейтрино от теоретически рассчитанного колмчества:

    Граничная энергия определяется тем, что выбитый из атома электрон должен лететь со скоростью, большей  скорости света в воде для того, чтобы излучать черенковское свет.
    В результате попыток теоретического обоснования результата родилось множество других проблем: имеет ли нейтрино массу, магнитный момент, каково время жизни нейтрино, и т.д. Все эти проблемы послужили рождению детекторов второго поколения, одним их которых является SuperKamiokande.

SUPER-KAMIOKANDE

    SuperKamiokande, являющийся модернизацией Kamiokande-II, размещен в горах Японии на глубине 1 км под землей.
    Его детектор - огромный резервуар (40х40 м) из нержавеющей стали, заполненный 50 000 т чистой воды, которая служит мишенью для нейтрино. На поверхности резервуара размещены 11 146 фотоумножителей (ФЭУ). Внутренний детектор, используемый для физических исследований, окружен слоем обычной воды, который называется внешним детектором и также контролируется фотоумножителями, чтобы не допустить в основной детектор каких-либо нейтрино, произведенных в окружающей детектор породе. В дополнение к световым коллекторам и воде огромное количество электроники, компьютеров, калибровочных устройств и оборудования для очистки воды установлено в детекторе или вблизи него.
    В 1998 году участники эксперимента SuperKamiokande заявили о регистрации явлений, похожих на нейтринные осцилляции. В ходе эксперимента исследовалось число мюонных нейтрино, рожденных в верхних слоях земной атмосферы, при столкновении протонов космических лучей с ядрами атомов воздуха, приходящих в детектор с разных расстояний. Оказалось, что меньшее число мюонных нейтрино приходило с тех направлений, где нейтрино преодолевали большее расстояние. Эти результаты дали основания полагать, что количество нейтрино данного класса зависит от пройденного ими пути, что может быть следствием трансформации нейтрино из одного вида в другой.
    Протоны космических лучей в результате столкновения с атомом рождают заряженный пион, который распадается на мюон и мюонное нейтрино.

.

    Мюон в свою очередь распадается на электрон, низкоэнергетичное электронное антинейтрино и высокоэнергетичное мюонное нейтрино.

.

    Таким образом, поток атмосферных мюонных нейтрино должен быть в 2 раза больше потока электронных нейтрино. Эксперимент показал, что потоки равны. SuperKamiokande различает нейтринные и мюонные нейтрино по виду черенковского излучения, вызываемого заряженными лептонами.
    В 2000 году была посчитана ассиметрия между количеством так называемых дневных (D) и ночных (N) нейтрино:

(D - N)/(D+N) = -0.034 + 0.022 + 0.013.

    Исследовалось количество высокоэнергетичных нейтрино, попадающих в детектор сверху (днем) и снизу (ночью). Те, что приходят снизу, проходя сквозь Землю, могут несколько раз претерпеть нейтринные осцилляции в отличие от “верхних” нейтрино.
    Годы работы детектора: 1996-2001.
    Граничная энергия регистрируемых нейтрино = 5.5 MeV.

    r_н = 47.5 + 0.8 + 1.3.

    Окончательное решение проблемы дефицита солнечных нейтрино, и в частности исследование нейтринных осцилляций, также требует независимых измерений потока электронных нейтрино и мюонных и тау-нейтрино.

     Направление, откуда пришло то или иное нейтрино, может быть вычислено исходя из направления внутри резервуара, на котором был зафиксирован электрон, выбитый из воды нейтрино. Так как происходит это очень редко, эффект рассеивания “смазывает” истинное направление до такой степени, что каждый видимый элемент изображения соответствует двум солнечным дискам.

KamLAND

Рис.4. Схема детектора KamLAND

    KamLAND (Kamioka Liquid scintillator Anti-Neutrino Detector) – это большой нейтринный детектор на острове Хонсю в Японии. В эксперименте участвуют 12 институтов США и Японии. Это крупнейший из когда-либо построенных низкоэнергетичных нейтринных детекторов, а также крупнейший сцинциляционной детектор. Основная его задача – разрешение проблемы нейтринных осцилляций путем детектирования антинейтрино от японских и южнокорейских ядерных реакторов. Для этого нужно сопоставить поток антинейтрино, детектируемый установкой, с точно рассчитываемым значением потока этих же частиц от реактора.
    KamLAND находится в той же шахте, что и Kamiokande. Основной (внутренний) детектор установки содержит килотонну жидкого сцинтиллятора в прозрачной нейлоновой сфере диаметром 13 м.
    Сцинтиллятор состоит из раствора псевдокумола в додекане (20:80) с небольшой добавкой дифенилоксазола, который улучшает сцинтилляционные характеристики. Чистота сцинтиллятора по урану, торию и калию (природным радиоактивным элементам, способным давать вклад в фон детектора) доведена до нескольких единиц на 10^-16 г/г. Пластиковая сфера со сцинтиллятором подвешена в центре стальной сферы, заполненной прозрачной смесью жидких парафинов (массой ~2 килотонны). На внутренней поверхности стальной сферы расположены 1879 фотоумножителей двух типов (17- и 20-дюймового диаметра). Момент срабатывания каждого ФЭУ отслеживается с точностью ~3.5 нс, что позволяет не только измерять энергию событий, но и восстанавливать координаты сцинтилляционной вспышки.
    Одной из основных проблем детектирования является уменьшение фона.
    Основными процессами, вносящими вклад в радиационный фон, являются процессы, вызванные атмосферными мюонами, и естественная радиоактивность.
    Естественная радиоактивность уменьшается путем окружения детектора слоем минерального масла, защищающего от гамма-лучей и нейтринной радиации.
    Для обнаружения космических мюонов служит внешний детектор. Основной детектор смонтирован внутри внешнего защитного водного черенковского детектора. Это заполненная сверхчистой водой стальная цилиндрическая емкость диаметром 18 м. Хотя почти все мюоны, рождающиеся в верхних слоях атмосферы, поглощаются километровой толщей скалы над подземной лабораторией, небольшая часть их все же достигает установки, и генерируемые ими быстрые нейтроны могут вызвать ложное срабатывание основного детектора. Поэтому после зарегистрированного пролета мюона набор данных основным детектором временно приостанавливается.
    В предыдущих экспериментах с реакторными нейтрино их дефицита не было обнаружено. Однако эксперименты с солнечными нейтрино свидетельствовали, что расстояния порядка 1 км слишком малы для его обнаружения. Размеры KamLAND и его расположение в 100-200 км от реакторов делает его весьма чувствительным к эффекту, что и привело к его обнаружению. Резко увеличив массу мишени, снизив фон и продвинувшись на два порядка по расстоянию, KamLAND смог попасть в область осцилляций.

Рис.5. Отношение измеренных нейтринных потоков к ожидаемым в случае отсутствия осцилляций для всех экспериментов с реакторными нейтрино за последние 15 лет

    Ядерные реакторы (их около 70), которые служат источниками антинейтрино, в среднем удалены от детектора на 175 км, хотя даже реакторы из Кореи вносят некоторый вклад (примерно 2.5%) в общий поток. Суммарная тепловая мощность всех этих реакторов равна 130 ГВт, а поток антинейтрино, который создается ими в месте, где расположена установка, составляет 1 x 10⁶ см^-2с^-1. Для детектирования антинейтрино используется так называемая реакция обратного бета-распада - захват электронного антинейтрино протоном, который при этом превращается в нейтрон и излучает позитрон.

_e + p e⁺ + n

    Позитрон тут же аннигилирует с одним из окружающих электронов, вызывая вспышку в сцинтилляторе. Нейтрон же в течение некоторого времени (в среднем 200 мкс) путешествует в жидкости, а затем захватывается протоном, образуя ядро дейтерия и гамма-квант энергией 2.2 МэВ, который вызывает вторую вспышку.

n + p d +

Рис.6. Соотношение экспериментальных данных по количеству событий с результатами, даваемых Стандартной Солнечной Моделью и моделью LMA

    За 150 дней ученые обнаружили 54 антинейтрино, в то время как расчетная цифра была 86. Наличие дефицита в потоке антинейтрино свидетельствует в пользу существования антинейтринных осцилляций, т.е. перехода электронного антинейтрино в антинейтрино других типов - мюонного или тау. Наличие осцилляций в свою очередь свидетельствует о том, что масса антинейтрино (и нейтрино соответственно) не равна нулю. Надо отметить, что осцилляционные эксперименты способны измерить только разницу между массами трех известных нам типов нейтрино и антинейтрино (электронным, мюонным и тау-нейтрино), но не абсолютные значение массы.
Годы работы детектора: 2002- наше время.
Граничная энергия регистрируемых нейтрино = 1 MeV.

r_н = 0.611+ 0.085+ 0.041

    Результат KamLANDа подтверждает решение LMA (Large Mixing Angle) для параметров смешивания нейтрино, причем наилучшим образом с измерениями согласуется угол смешивания sin² = 1.0 и разность масс m² = 6.9x10^-5 эВ². Это означает, что электронные нейтрино смешаны с остальными двумя ароматами (мюонными и тау) в максимальной степени.
   В будущем на KamLAND предполагается детектирование солнечных борных и бериллиевых нейтрино. При этом детектирование основано на единичном акте ионизации, что затрудняет отделение истинных событий от ложных.