Подтверждение теории нейтринных осцилляций в эксперименте SNO

Рис. 1. Схема детектора SNO

    Нейтринная лаборатория в Садбери (Онтарио, Канада) была построена в шахте на глубине 2070 метров. Его строительство началось в марте 1990 года и закончилось в мае 1993 года. SNO – черенковский детектор на тяжелой воде. Детектор представляет собой резервуар – бочкообразную полость, выкопанную в скале, - диаметром 22 метра и высотой 34 метра, заполненный 5300 тоннами сверхчистой легкой водой, в которую помещен бак из акрилового пластика, имеющий диаметр 12 метров, с 1000 тонн тяжелой воды D₂O, служащей мишенью для нейтрино. Внешний слой обычной воды служит для поглощения гамма квантов и нейтронов от естественной радиоактивности скальных пород. Акриловый резервуар окружает геодезическая сфера 17-метрового диаметра, заполненная 1700 тоннами обычной воды и содержащая 9 600 фотоумножителей (см. рис. 1). За сутки детектор регистрировал порядка 10 событий.
    Детектор должен был соответствовать высоким требованиям по чистоте используемых материалов. В частности концентрация элементов из радиоактивных цепочек урана и тория должна быть в миллионы раз меньше, чем в обычной воде. Так для тяжелой воды содержание примесей должно быть меньше 10-14г/г воды, а для легкой воды весом - меньше 10-13г/г.
    SNO чувствителен ко всем 3 ароматам нейтрино. Детектирование электронных нейтрино происходит путем реакции рассеяния нейтрино на дейтерии, протекающей с участием заряженных токов:

ν_e + d → p + p + e^–.

Когда нейтрино попадает в ядро дейтерия, происходит обмен W-бозоном. При этом нейтрон превращается в протон, а нейтрино – в электрон. И в результате реакции происходит образование 2 протонов и электрона. Электрон как самая легкая из образовавшихся частиц получает практически всю энергию налетающего нейтрино. Электрон двигаясь в детекторе со скоростью, большей скорости света в воде, испускает черенковский свет, регистрируемое фотоумножителями (ФЭУ). Сигнал на ФЭУ получается пропорциональным энергии нейтрино.

|
Рис. 2. Схема реакции посредством заряженных токов между нейтрино и дейтерием.

Нейтрино с дейтерием также может взаимодействовать посредством реакции с нейтральными токами. В этом случае происходит обмен Z-бозоном. Данная реакция чувствительна ко всем 3 ароматам нейтрино в одинаковой степени. В результате реакции дейтерий распадается на нейтрон и протон. Нейтрон в тяжелой воде термализуется при рассеянии, после чего захватывается ядром. Возбужденное ядро испускает гамма кванты, которые рассеиваются на электронах атомов воды, излучающие в свою очередь черенковское излучение, которое и является признаком нейтринного события. Эффективность данной реакции зависит от интенсивности захвата нейтрона ядром, которая относительно высока для дейтерия. Для увеличения этой интенсивности существуют 2 отдельные системы регистрации нейтральных токов, о которых будет рассказано ниже.

Рис. 3. Схема реакции посредством нейтральных токов между нейтрино и дейтерием.

Реакцию, протекающую с участием нейтральных токов, можно записать в виде:

ν_e + d → p + p + ν'_e

Для детектирования нейтрино использовалась также уже известная нам реакция упругого рассеяния нейтрино на электронах, не являющаяся специфичной для тяжелой воды в отличие от вышеуказанных реакций:

e^– + ν_e → e'^– + ν'_e

Рассеяние происходит с нейтрино всех 3 типов, но интенсивность процесса для электронных нейтрино выше в 6 раз. Т.к. в конечном состоянии энергия нейтрино делится между обоими продуктами реакции, то точная спектроскопия невозможна. Но зато данный метод дает нам информацию о первоначальном направлении нейтрино, что позволяет нам убедиться в том, что обнаружено именно солнечное нейтрино. Кроме того данный результат можно сравнить с данными других черенковских детекторов, например, SuperKamiokande.

Рис. 4. Схема реакции упругого рассеяния нейтрино на электроне.

Эффективность реакции (n, γ) в случае нейтральных токов составляет 25% для дейтерия в тяжелой воде. Для увеличения эффективности в SNO созданы 2 различные системы регистрации процессов с нейтральными токами.

Пропорциональные счетчики с ³He:
У ³He очень большое сечение захвата тепловых нейтронов, в результате захвата образуется высокоэнергетичная 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 их общий объем довольно велик, они должны быть изготовлены из ультрачистого материала, в качестве которого берется никель. Содержание урана и тория в них должно быть менее нескольких 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 фотодезинтеграции дейтрона, вызванной в основном гамма квантами с энергиями 2.45 МэВ и 2.63 МэВ от цепочек распада радиоактивных ²³²Th и ²³⁸U. Таким образом соль, также как и вода должны быть высокой степени очистки от радиационных примесей.

Для уменьшения низкоэнергетического фона граничная энергия детектируемых нейтрино в эксперименте была установлена в 6.75 МэВ.

На детекторе SNO были получены следующие результаты:

Величину потока не электронных нейтрино можно получить вычитая F^CC(ν_e) из F^NC(ν_x).
Оценка полного потока солнечных нейтрино находится в хорошем согласии со стандартной моделью Солнца:

Коллаборацией SNO была найдена следующая асимметрия "ночь-день" для потока электронных нейтрино:

Данная ассиметрия также указывает на наличие осцилляций нейтрино в веществе, т.к. в дневное время солнечные нейтрино попадают в детектор сверху, проходя только через вакуум и атмосферу, а ночью – снизу, проходя сквозь толщу Земли.
Направление движения нейтрино в случае упругого рассеяния (ES) совпадает с направлением на Солнце:

Рис. 5. Зависимость числа нейтринных событий (упругое рассеяние – зеленый цвет, взаимодействие через заряженные токи – синий цвет) от угла направления на Солнце.

Таким образом, все поведенные эксперименты показывают дефицит потока солнечных электронных нейтрино, измеряемого на Земле, который объясняется по всей видимости тем, что часть электронных нейтрино проходя через Солнце превращаются в нейтрино других ароматов (прежде всего мюонное). При этом набранные в SNO данные совместно с данными более ранних экспериментов ясно указывают на LMA решение MSW-эффекта:

Рис. 6. Разрешенные области параметров Δm² и θ для сценария массовых нейтринных осцилляций (MSW), не противоречащие результатам эксперимента SNO.