Способы детектирования нейтрино

    Перед тем, как рассмотреть существующие способы детектирования нейтрино, выделим характерные особенности и проблемы, возникающие во время этого процесса.

Особенности детектирования нейтрино

    Поток нейтрино, детектируемых на Земле, характеризуется тем, что:

1.  можно выделить несколько типов нейтрино по энергии, соответственно различаются и методы детектирования, наиболее чувствительные к разным типам нейтрино;
2. поток почти беспрепятственно пересекает вещество, включая Землю, поэтому нейтрино долетают до детектора как днем – сверху, так и ночью – со стороны Земли. К тому же поток не отклоняется магнитными полями, а, следовательно, можно точно определить его источник;
3. поток имеет относительно слабую интенсивность по сравнению с другими частицами.

    Число нейтрино, детектируемых в течение года для нескольких построенных детекторов нейтрино, показано на рис. X.:

Рис. 1.Скорость счета в различных нейтринных детекторах

    Поэтому для большинства нейтринных детекторов справедливо следующее:

1. каждый детектор приспособлен для детектирования одного типа нейтрино – это как правило нейтрино определенного типа(ов) от определенного источника;
2.  детекторы находятся глубоко под Землей (~ 1 км) или под водой для защиты от фонового излучения; защита необходима от существующих источников нейтрино на Земле, а также естественного радиационного фона Земли;
3.  детекторы имеют большие размеры для набора достаточной статистики в виду малого сечения взаимодействия нейтрино и, соответственно, сравнительно малое число регистрируемых событий; типичное значение - от нескольких сотен или до нескольких тысяч в год. Скорость захвата нейтрино зависит от реакции детектирования и от энергии нейтрино.
4. одной  из важнейших задач в процессе проектирования, установки и настройки  детектора является борьба с фоном; для этого, в частности, необходимо выполнить следующие действия:
       a.  многослойное экранирование детектора от внешних излучений, в частности атмосферных мюонов,
       b.  обеспечение радиационной частоты используемых материалов, детектирующего вещества, детектирующего оборудования, в частности ФЭУ.

    Существуют 3 основных способы детектирования нейтрино:

1. Радиохимический
2. Рассеяние нейтрино на электронах
3. Поглощение нейтрино – прямой счет

    В свою очередь радиохимические детекторы различаются по используемому в них активному веществу, в которым взаимодействует нейтрино:

• хлорные (эксперимент Homestake)
•  галлиевые (эксперименты SAGE, GALLEX)

     Нейтринные детекторы, основным процессом в которых является рассеяние на электронах, различаются в зависимости от основного вещества детектора, а также способа детектирования электронов рассеяния:

• черенковские (эксперименты Kamiokande-II, SuperKamiokande, SNO, BAIKAL, ANTARES, AMANDA)
• сцинтилляционные (Borexino, LVD)
• на основе время-проекционной камеры (ICARUS, HELLAZ).

    В некоторых из вышеперечисленных экспериментов (SNO, LVD, ICARUS) наряду с реакциями рассеяния для детектирования нейтрино используются также реакции поглощения. Особенностью реакций поглощения является то, что в зависимости от того, через какие токи идет реакция – заряженные или нейтральные – реакция может быть чувствительна либо только к электронным нейтрино, либо ко всем ароматам нейтрино. А это в свою очередь позволяет найти прямое экспериментальное подтверждение нейтринных осцилляций. Использование же реакций поглощения вместе с реакциями на рассеяние нейтрино, чувствительными ко всем ароматам нейтрино, полезно в плане сравнения полученных результатов.
    Реакции с заряженными можно записать в общем виде следующим образом:

ν_e + N → e^– + адроны,

реакции с нейтральными токами:

ν_l + N → ν'_l + адроны, где l = e, μ, τ.

В основе любого радиохимического метода лежит реакция вида:

ν_e + X(Z,A) → e^– + Y(Z+1,A),

в которой образуется нестабильное ядро Y. Радиоактивный распад ядра Y используется для детектирования солнечных нейтрино. Также любой радиохимический метод характеризуется невозможностью прямого подсчета регистрируемых нейтрино. Т.е. сначала происходит накопление данных, – часть пролетающих сквозь детектор нейтрино реагирует с веществом детектора, в детекторе происходит накопление продуктов реакции. После окончания набора данных с помощью химических методов продукты реакции с нейтрино извлекаются из вещества детектора и подсчитываются. Кроме того радиохимические методы не могут дать никакой информации о направлении прилета нейтрино. Соответственно детекторы прямого счета, использующие реакции рассеяния и поглощения, лишены этих недостатков.

Хлорный детектор (радиохимический способ)

    Принципиальная схема радиохимического метода детектирования нейтрино на примере реакции с хлором была предложена Б.М. Понтекорво в 1946 г. В ее основе лежит реакция:

ν_e + ³⁷Cl  → e^– + ³⁷Ar

Хлорный детектор является жидкостным, т.е. он заполнен жидким хлорсодержащим веществом.
    В методе Понтекорво нейтрино захватывается атомом ³⁷С1 с образованием ³⁷Аг радиоактивного изотопа, который опять превращается в ³⁷С1 по каналу обрат­ного бета-распада со временем полураспада 35 суток.

³⁷Ar → ³⁷Cl + e^– + _e

    При захвате ³⁷Аг атомарного K- или L- атомарного электрона на освободившееся  место переходят электроны внешних оболочек, что приводит к испусканию оже-электронов с определенными энергиями и рентгеновскому излучению.
    Т.к. аргон является благородным газом, то он не вступает в реакцию с другими веществами и поэтому легко выделяется из смеси. Полученный аргон Понтекорво предполагал извлекать при помощи продувки четыреххлористого  углерода CCl₄ и последующим подсчетом атомов ³⁷Ar в газоразрядном счетчике. Понтекорво рассматривал 2 возможных источника нейтрино: ядерные реак­торы и Солнце,-  как возможные объекты экспериментального исследования.
    Пороговая энергия реакции захвата составляет 0.814 МэВ. Отсюда вытекает ограниченность применения данного метода при исследованиях солнечных нейтрино, позволяющего детектировать только «борные» и «бериллиевые» нейтрино, поток которых существенно меньше потока «p-p» нейтрино.
     Первый эксперимент с использованием данной реакции в 1949 г.  был предложен Л. Альваресом (Нобелевский лауреат 1969 г.). В качестве источника ³⁷Cl предполагалось использовать концентрированный раствор хлорида натрия NaCl. Однако этот эксперимент так и не был осуществлен.
    После этого созданием хлорного детектора занялся Р. Дэвис мл.. Первым удавшимся экспериментом, основанным на реакции Понтекорво был эксперимент по исследованию тождественности нейтрино и антинейтрино, о котором было рассказано в главе «Доказательство не тождественности нейтрино и антинейтрино».
    Следующим опытом с данной реакцией стала серия экспериментов по поиску солнечных нейтрино, также проведенных Дэвисом. В этих экспериментах был использован детектор, заполненный перхлорэтиленом C₂Cl₄. Возникавший в результате реакции радиоактивный аргон извлекался с помощью продувания через бак с газообразным гелием. Затем аргон вымораживался охлаждением до сверхнизкой температуры (77 К) и адсорбировался активированным углем. После этого атомы аргона регистрировались по их радиоактивному распаду с помощью пропорциональных счетчиков. Подробнее этот эксперимент будет описан в главе «Детектор Home stake ».
    Достоинством данного метода является относительная дешевизна основного компонента детектора – перхлорэтилена (это жидкость, используемая для химической чистки одежды).

Галлиевый детектор (радиохимический способ)

    Для регистрации низкоэнергетичных нейтрино можно было воспользоваться тем, что при взаимодействии низкоэнергетичных нейтрино с атомом галлия образуется атом германия. Однако галлий — редкий и дорогой металл, его мировая добыча невелика, а для получения надежных результатов детектор должен был бы содержать примерно 40 тонн этого элемента. Поэтому галлиевые детекторы появились значительно позднее.
    В 1966 году молодой теоретик из Института ядерных исследований В. Кузьмин, руководствуясь идеей Понтекорво, указал на то, что реакция поглощения нейтрино изотопом галлия ⁷¹Ga с образованием радиоактивного германия идет с порогом всего лишь 0.233 МэВ.

⁷¹Ga + ν_e → ⁷¹Ge + e^–.

В реакции образуется радиоактивный изотоп ⁷¹Ge с T_1/2 = 11.4 дней, который химическими методами переводится в GeH₄. А после этого число атомов германия измеряется пропорциональным счетчиком. Т.об. общая схема эксперимента в точности повторяет схему опыта, предложенного Б. Понтекорво.
    Галлиевый детектор имеет очень низкий порог регистрации нейтрино (233 кэВ) и поэтому он чувствителен ко всем типам солнечных нейтрино, в том числе и к основному потоку солнечных нейтрино – p-p нейтрино.
    Работающие галлиевые детекторы появились в только 90-х годах – это детекторы GALLEX, SAGE и GNO.

Черенковский детектор (реакции рассеяния на электронах)

    Черенковский детектор принципиально отличался от предыдущих тем, что основным процессом является рассеяние солнечных нейтрино на электронах воды (как правило – обычной легкой H₂O). В результате столкновения нейтрино с каким-либо атомом, входящим в состав воды, из атомной оболочки вылетает электрон, создавая в воде черенковское излучение свечение темно-голубого цвета. 

e^– + → e^–' + '

    Регистрация образовавшихся фотонов и позволяет получить информацию о нейтринном событии. Данный способ детектирования является прямым, т.к. фиксируется непосредственно выбивание электрона. Этим он отличается от, например,  радиохимических методов (Homestake, GALLEX, …), 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 ароматы 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.
    Граничная энергия регистрируемых нейтрино для данного способа находится в районе 5-8 MeV в зависимости от строения детектора. Граничная энергия определяется тем, что выбитый из атома электрон должен лететь со скоростью, большей скорости света в воде для того, чтобы излучать черенковское свет.
    Немаловажным достоинством данного метода является дешевизна основного вещества детектора - воды, причем вода в установке выступает как в качестве мишени, так и в качестве детектора. Использование воды приводит к низкому фону, т.к. не представляет сложности найти достаточное ее количество с минимальной концентрацией радиоактивных веществ. Детектирование по черенковскому излучению позволяет легко отсечь все фоновые события, связанные с альфа-частицами низких энергий.
    Кроме того, эксперименты по рассеянию позволяют точно определить время прилета частицы, что имеет важное значения в случае нестационарного источника нейтрино для поиска корреляций нейтринных событий с характеристиками этого источника.
    Энергетическое распределение вылетающих электронов в реакции в определенной степени отражает спектр падающих нейтрино. Это имеет значение при детектировании солнечных нейтрино с целью подтверждения ССМ. Согласно данной модели существуют несколько типов солнечных нейтрино, различных по своему спектру и интенсивности. Этим реакции по рассеянию также выгодно отличаются от радиохимического метода детектирования, позволяющего определить только скорость счета нейтрино.
    Но у данного метода есть и свои недостатки. Нет точного способа определить, было ли вызвано регистрируемое событие нейтрино или другой нейтральной частицей, способной рассеяться на электроне. Необходимость уменьшения фона является еще одной причиной высокой пороговой энергии черенковского детектора. Поэтому из всего спектра солнечных нейтрино черенковский детектор чувствителен только к борным и hep-нейтрино.
    Этот факт, а также то, что получающееся эффективное сечение рассеяния нейтрино мало по сравнению с эффективным сечением поглощения на наиболее подходящих поглотителях, приводит к низкой скорости счета нейтрино.

Сцинцилляционный детектор (реакции рассеяния на электронах)

    Как и в случае черенковского детектора основной реакцией такого детектора является реакция рассеяния нейтрино на электронах:

e^– + → e^–' + '

    Основным отличием является то, что в качестве вещества детектора используется ультрачистая сцинтилляционная жидкость. Детектирование же происходит во вспышкам в сцинтилляторе, вызываемым электроном рассеяния.
    Преимуществом сцинциляционной технологии является ее высокая светимость: она превышает примерно в 50 раз светимость черенковского излучения и она чувствительна к событиям с энергиями вплоть до 50 КэВ. Поэтому энергетический порог сцинтилляционного детектора можно сделать ниже, чем порог черенковского детектора. В частности, с помощью сцинтилляционного детектора Borexino предполагается детектирование бериллиевых нейтрино (0,861 Mev).
    Недостатком данного способа детектирования является невозможность определить направление движения исходного нейтрино по направлению движения образовавшихся сцинтилляционных фотонов, более высокая стоимость вещества детектора. А в случае детектирования низкоэнергетичных нейтрино кроме того налагаются более строгие требования к радиационной чистоте материалов, используемых для построения детектора.