А. Кочетков

Нейтринная обсерватория в Садбери


История SNO проекта

    Sudbury Neutrino Observatory (SNO) – это новая обсерватория, которое была создана в Канаде группой ученых из Канады, Соединенных Штатов Америки и Британии. SNO будет измерять поток, энергию и направление электронных нейтрино, рожденных на Солнце. Обсерватория так же будет регистрировать другие типы нейтрино (мюонные нейтрино и тау нейтрино), которые, если их обнаружить, могут значительно изменить наше существующее понимание нейтрино, Солнца и развития Вселенной в целом.
    Поиск протонного распада, и фактически поиск любого естественно происходящего экзотического случая, должен быть сделан в больших датчиках глубоко под землей. Большой размер детектора компенсирует малую частоту событий, а расположение под большой толщей земли ограждает от космического фона. Предложение о создании такой лаборатории было сделано в 1983 году. Место строительства обсерватории было выбрано исходя из факторов стабильности скалы и доступности инфраструктуры. Создание SNO была полностью рассмотрено и утверждено в ноябре 1989 года. В 1990 году SNO институт был полностью сформирован с Артом Макдональдом из Университета Королевы в качестве директора.
    Детектор находится на глубине в 2070 метров под землей. На этой глубине скальные породы находятся под давлением приблизительно 50 МПА, что больше чем 550 атмосфер. Строительство этого сооружения началось в марте 1990 года и закончилось в мае 1993.

Составляющие детектора

Фотоумножители

    Фотоумножители в данном эксперименте (PMTs) – это очень светочувствительные детекторы, способные к регистрации единичных фотонов и генерации электрических импульсов. SNO содержит 10000 таких PMTs, и, таким образом, мы можем набрать статистику фотонов Черенковского излучения, рождающихся в реакциях взаимодействия вещества детектора с нейтрино. Создание данных трубок – очень сложный и трудоемкий процесс, в котором участвовали специалисты из разных стран мира. Тестирование фотоумножителей состояло из водных, вакуумных и механических испытаний. Более чем 10000 трубок были собраны и проверены.

Крепление фотоумножителей

    10000 фотоумножителей должно быть закреплены на 18-метровой сфере, окружающей баллон с тяжелой водой. Эта подвесная система была спроектирована и построена учеными из национальной лаборатории Лоренца-Беркли (Калифорния). Эта система изготовлена из специального сорта нержавеющей стали чтобы предотвратить загрязнение воды. Фотоумножители размещены в пластиковых ячейках, которые объединены в группы.

Акриловый баллон

    Тяжелая вода находится в прозрачном акриловом баллоне, имеющем толщину стенок в 5 см. Он, в свою очередь, помещен в обыкновенную воду. Баллон представляет собой сферу с диаметром 12 метров с 8 метровой трубой с диаметром в 2 метра. Труба нужна для наполнения баллона водой или раствором. Установка этого баллона была закончена в ноябре 1997 года.

__

    Вода (H2O & D2O)
    Водяная система SNO должна быть способна поддерживать очень высокую степень чистоты больших объемов воды. В частности концентрация элементов из радиоактивных цепочек урана и тория должна быть в миллионы раз меньше, чем в обычной воде. Внешний слой обычной воды служит для поглощения гамма квантов и нейтронов от естественной радиоактивности скальных пород. Для 1000 т тяжелой воды примеси должны быть меньше 10-14г/г  воды, а для легкой (обычной) воды весом 7000 т меньше 10-13г/г.

Системы для нейтральных токов

    Эффективность процесса со слабым током зависит от эффективности реакции (n,γ). Для дейтерия она около 25% в объеме D2O. В SNO имеется две системы, повышающих эффективность детектирования процесса с нейтральными токами.

Пропорциональные счетчики с Гелием-3

    У   3He очень большое сечение захвата тепловых нейтронов, в результате образуется энергетичная протон-тритонная пара, вызывающая импульс в пропорциональном счетчике. Пропорциональные счетчики (трубки общей длиной 800 м) равномерно размещены (висят на проволоках) в объеме D2O. Так как общий их объем велик, они должны быть изготовлены из ультрачистого материала, в качестве которого берется никель. Содержание урана и тория в них должно быть меньше, чем несколько частей на триллион по весу.

Хлористый натрий

    В этом варианте в тяжелую воду добавляется более двух тонн хлористого натрия (NaCl). У 35Cl большое сечение захвата тепловых нейтронов, который сопровождается каскадом гамма квантов с максимумом в области 8 МэВ. Эффективность захвата около 83%. Фоном для этого процесса могут быть нейтроны от фото дезинтеграции дейтрона, вызванной в основном гамма квантами с энергиями 2.45 МэВ и 2.63 МэВ от цепочек распада 232Th и 238U. Таким образом соль и вода должны быть очень чистыми.

Взаимодействие нейтрино в D2O

    Для решения проблемы солнечных нейтрино и, в частности, исследования нейтринных осцилляций необходимы независимые измерения потоков электронных нейтрино νe, а также мюонных νμ и тау нейтрино ντ. На установке SNO можно измерять поток и энергетический спектр электронных нейтрино F(νe) и поток всех нейтрино F(νx). Поток неэлектронных нейтрино - это разность

F(νμ, ντ) = F(νx) - F(νe)

    На SNO эти потоки можно измерять используя то обстоятельство, что нейтрино по-разному могут взаимодействовать с тяжелой водой.

Реакции с заряженными токами (CC)

νe + d → p + p + e-

    Когда нейтрино попадает в ядро дейтерия происходит обмен W-бозоном. В результате нейтрон в дейтерии превращается в протон, а нейтрино в электрон. Как самый легкий продукт реакции электрон получает почти всю энергию нейтрино. Его скорость выше, чем скорость света в воде. Возникающее черенковское излучение регистрируется фото умножителями, сигналы с которых пропорциональны энергиям нейтрино.
    Отклонения в форме экспериментального спектра нейтрино от теоретических предсказаний может свидетельствовать в пользу нейтринных осцилляций.
    Для SNO стандартная модель Солнца предсказывает около 30 реакций с заряженными токами за сутки.

Реакции с нейтральными токами (NC)

νx + d → p + n + νx

В этой реакции происходит обмен Z-бозоном. В результате дейтрон разрушается, а освободившийся нейтрон термализуется в результате рассеяния в тяжелой воде. Затем нейтрон захватывается ядром. Гамма кванты из этой (n,γ) реакции рассеиваются на электронах, которые в свою очередь генерируют черенковское излучение, которое регистрируется фото умножителями.
    Эта реакция одинаково чувствительна к нейтрино всех трех типов. Эффективность детектирования зависит от эффективности захвата нейтрона ядром. Она не высока для дейтерия. Поэтому на  SNO созданы две отдельные системы для нейтральных токов. На рисунке показан захват нейтрона ядром 35Cl. На второй стадии эксперимента в тяжелую воду будет добавлена соль NaCl.
    Для SNO стандартная модель Солнца предсказывает около 30 нейтронов в сутки.

Рассеяние на электронах (ES)

e- + νx → e- + νx

Этот процесс не специфичен для тяжелой воды. В обычной происходит то же самое. Рассеяние происходит на всех типах нейтрино, но на электронных нейтрино оно раз в 6 более вероятно. В конечном состоянии энергия делится между электроном и нейтрино, поэтому спектроскопическая информация здесь скудная, зато информация о направлении хорошая.
    Для SNO стандартная модель Солнца предсказывает около 3 событий в сутки.

Результаты измерений

    Поскольку установка начала свою работу сравнительно недавно, постоянно появляются новые результаты измерений. На момент написания этой работы последними данными являются результаты, полученные за период работы с 26 июля 2001 года до 10 октября 2002 года, всего 254.2 дня. За это время было зафиксировано 3055 событий.



Для наглядности представим результаты обработки данных в графическом виде. На первых трех графиках показаны распределения различных параметров для выбранных событий. СС и ES спектры извлекаются из данных использованных в первых двух графиках. Так же показано распределение посчитанное методом Монте-Карло для CC, ES, NC реакций. Так же для масштабирования использован источник нейтронов. Пунктиром показана сумма всех компонентов. Все показанные события имеют порог Тэфф > 5.5 МэВ и радиус меньше 550 сантиметров.

На этом графике показано весовое распределение для NC, CC, ES реакций, а также внешнего и внутреннего источников нейтронов.

На головную страницу

Рейтинг@Mail.ru