И. Владимиров

Эксперимент Девиса по регистрации солнечных нейтрино

История эксперимента
Общий план установки и описание работы детектора
Процедура вывода аргона из детектора
Процедура подсчёта числа атомов ³⁷Ar
«Несолнечные» атомы ³⁷Ar
Анализ данных и результаты
Эксперимент SNO
Список литературы

История эксперимента

В 1942 году Реймонд Девис получил степень доктора философии по физической химии в Йельском университете, и после Второй мировой войны устроился на работу в Брукхейвенскую национальную лабораторию. С этого времени он начинает заниматься нейтрино, которые в то время никто не видел, но все использовали при изучении теории β-распада.
В 1951 году Девис начал работать над радиохимическим экспериментом по регистрации нейтрино, предложенным Понтекорво в 1946 году, – захват нейтрино в реакции

³⁷Cl + ν_e → ³⁷Ar + e^-,

    В своей статье Бруно Понтекорво описал методы извлечения аргона с помощью продувки четырёххлористого углерода и подсчёта числа атомов ³⁷Ar в газоразрядном счётчике. В методе Понтекорво (хлор-аргонный метод) нейтрино захватывается атомом ³⁷Cl с образованием ³⁷Ar - радиоактивного изотопа, который превращается в ³⁷Cl по каналу обратного бета-процесса с периодом полураспада 35 суток. Пороговая энергия реакции захвата равна 0.814 МэВ.
    Девис сначала пытался зарегистрировать реакторные нейтрино. Когда в 1955 году Рейнес и Кован поставили успешный эксперимент по первой регистрации антинейтрино, Девис находился в Саванна-Ривер и пытался поймать нейтрино от реакторов с помощью бочки объёмом 11400 литров, заполненной CCl₄. Так как он ничего не обнаружил, его эксперимент показал, что нейтрино не тождественно антинейтрино.
    После этого Девис начал исследовать солнечные нейтрино.
    Считается, что на Солнце идут термоядерные реакции синтеза. В четырёх из них рождаются нейтрино с энергиями выше 0.814 МэВ (CNO-цикл не принят в расчёт, потому что не известно идёт ли он на Солнце). В таблице 1 указаны энергии нейтрино и сечение захвата соответствующего нейтрино в реакции ³⁷Cl(ν_e,e^-)³⁷Ar.

Таблица 1. Термоядерные реакции на Солнце

Нейтрино от ⁸B дают основной вклад в поток солнечных нейтрино, которые могут быть зарегистрированы хлор-аргонным методом.
В 1963 году Бакол рассчитал скорость захвата нейтрино от ⁸B ядром ³⁷Cl. Она оказалась в 20 раз выше предыдущих оценок, и на основании этого был предложен большой хлор-аргонный эксперимент. Теория предсказывала, что скорость образования атомов ³⁷Ar будет от 4 до 11 штук в день в 100000 галлонах (378000 литров) перхлорэтилена C₂Cl₄ (который также называется тетрахлорэтиленом).

Общий план установки и описание работы детектора

Экспериментальная установка была построена в бывшей золотодобывающей шахте Хоумстейк в Лиде, штат Южная Дакота в 1965-1966 годах. На глубине 1478 м под землёй в шахте были вырублены большая камера и комната для контрольной аппаратуры. Камера расположена на 200 м ниже главного выхода из шахты. Стены и пол камеры были забетонированы.

Рис. 1. Спектр солнечных нейтрино в Стандартной модели Солнца. Единицы измерения непрерывных спектров в см^-2МэВ^-1сек^-1, а моноэнергетических линий в см^-2сек^-1. На рисунке указаны погрешности потоков в Стандартной модели

На рис. 2 изображено расположение элементов детектора в шахте. Детектор состоит из стальной бочки диаметром 6.1 м и длиной 14.6 м, содержащей 615 тонн тетрахлорэтилена. C₂Cl₄ заполняет 95% объёма бочки, остальные 5% заполнены гелием при давлении 1.5 атм. Бочка расположена ниже выхода из шахты и может быть затоплена водой. В середину бочки вставлена труба диаметром 5 см; в неё помещается источник нейтронов. К бочке подсоединены два циркуляционных насоса для откачки жидкости.
Чтобы определить поток нейтрино от Солнца, нужно воспользоваться формулой

(1)

где N(³⁷Cl)∑φ_iσ_i - ожидаемая интенсивность рождения ³⁷Ar в детекторе из-за потока солнечных нейтрино. Сумма ведётся по реакциям на Солнце, идущим с образованием нейтрино, φ_i - поток электронных нейтрино от соответствующей реакции, σ_i - сечение захвата нейтрино в реакции ³⁷Cl(ν_e,e^-)³⁷Ar. N(³⁷Cl) - число ядер мишени ³⁷Cl в детекторе. Первое слагаемое слева – полная измеренная интенсивность рождения ³⁷Ar в детекторе; N_c - число зарегистрированных атомов ³⁷Ar; ε_e - эффективность вывода атомов ³⁷Ar из бочки с C₂Cl₄; ε_c - эффективность счёта. N_c/(ε_eε_c) - полное число атомов ³⁷Ar в бочке после экспозиции; t_exp - время экспозиции; λ - постоянная распада ³⁷Ar. p_ns - интенсивность рождения атомов ³⁷Ar в реакциях, отличных от реакции ³⁷Cl(ν_e,e^-)³⁷Ar на солнечных нейтрино.

Рис. 2. Расположение элементов эксперимента в шахте Хоумстейк на глубине 1480 м ниже поверхности земли

Так как сигнал на хлор-аргонном детекторе может быть от нейтрино из четырёх реакций, такие измерения не позволяют определить потоки нейтрино от каждой реакции в отдельности, но может быть установлена верхняя граница на поток электронных нейтрино от каждой реакции.

Вывод аргона из бочки

Система извлечения аргона из детектора показана на рисунке 3. Процесс вывода включает два подпроцесса: первый – установление и поддерживание равновесия между аргоном в газовой среде и аргоном, растворённым в жидком C₂Cl₄, с помощью продувки гелия через тетрахлорэтилен; второй – выкачивание гелия из бочки и пропускание его через систему выделения аргона. Так как содержание аргона в газовом объёме падает, в процессе перемешивания C₂Cl₄ и He равновесие устанавливается путём перехода аргона из жидкой части детектора в газовую.
Бочка оснащена двумя циркуляционными насосами (примерная скорость потока 1500 л/мин). Каждый насос откачивает жидкий C₂Cl₄ из общей приёмной линии на дне бочки и возвращает обратно в детектор через магистральный трубопровод через 20 специальных трубок – эдукторов. В бочке две магистральные линии – на высоте 2 и 4 м от дна. Особая форма эдуктора приводит к всасыванию в верхнюю часть трубки гелия из газового объёма детектора и перемешиванию этого гелия с C₂Cl₄. Гелий продувается через C₂Cl₄ со скоростью 17000 л/мин.

Рис. 4. Схема процесса извлечения аргона из бочки

    Газ из бочки откачивается с помощью общей системы насосов. Сначала газовая смесь проходит через холодильник при -40^oC. При этом конденсируется большая часть паров C₂Cl₄. После этого газ попадает в комнату, где расположена система выделения аргона. С помощью расходомера измеряется поток циркулирующего газа. Потом газ проходит через микрофильтровую ловушку, где оседают остатки паров C₂Cl₄. Сухой газ проходит через теплообменник, в который помещена ловушка с активированным углем. Ловушка охлаждена жидким азотом, и в ней адсорбируются аргон и некоторые другие газы, но гелий свободно проходит дальше и через два эдуктора попадает обратно в бочку.
    Чтобы извлечь 95% ³⁷Ar, содержащегося в бочке, требуется приблизительно 20 часов работы системы выделения аргона. Когда почти весь аргон из детектора находится в ловушке с активированным углем, ловушку нагревают до 200^oC, газ из неё выкачивается и направляется в кварцевую печь, разогретую до 900^oC. В печке находится титановый порошок. Поэтому активные газы O₂ и N₂ образуют оксиды и нитриды титана. Оставшийся газ – это смесь инертных газов. Аргон выделяется из него с помощью газовой хроматографии.
    Судя по формуле (1), чтобы вычислить поток нейтрино от Солнца, нужно знать эффективность вывода аргона из детектора. ε_e определяется следующим образом. В начале каждой экспозиции в бочку помещается определённое число атомов изотопа ³⁶Ar

(2)

Так как чистый изотоп ³⁶Ar получить сложно, то в детектор отправляется смесь газов, причём доля количества атомов ³⁶Ar в смеси равна f₃₆. ρ_T - давление смеси при температуре T и объёме V_T. При извлечении ³⁷Ar из C₂Cl₄ извлекается и ³⁶Ar. Если известно число атомов выделенного из бочки ³⁶Ar, то эффективность вывода равна

(3)

Здесь штрихами помечены величины для выделенного из бочки газа.

Процедура подсчёта числа атомов ³⁷Ar

В результате захвата нейтрино ядром ³⁷Cl образуется ³⁷Ar с энергией отдачи от 10 эВ (нейтрино от ⁷Be) до 6 кэВ (нейтрино от ⁸B). Даже минимальной энергии достаточно иону ³⁷Ar, чтобы отделиться от родительской молекулы C₂Cl₄. Считается, что ион потеряет энергию, обменяется зарядом с молекулой C₂Cl₄ и станет нейтральным атомом.

Таблица 2. Характеристики распада атома ³⁷Ar

Рис. 4. Схема пропорционального счётчика

    Число атомов ³⁷Ar определяется с помощью пропорционального счётчика. Сигнал с счётчика пропорционален энергии ионизирующей частицы. Характеристики распада ³⁷Ar приведены в таблице 2. Канал распада с захватом K-электрона и передачи выделившейся энергии 2.823 кэВ трём-пяти оже-электронам – основной канал распада ³⁷Ar. Его также легче всего обнаружить. Ещё в 8.7% случаев распад происходит с K-захватом, но около 2.8 кэВ излучается в виде рентгеновского излучения. В 10% случаев рентгеновское излучение полностью поглощается в пропорциональной камере. Поэтому приблизительно в 82.4% случаев распад ³⁷Ar определяется по энергии в пропорциональной камере около 2.8 кэВ.
    Схема пропорционального счётчика показана на рисунке 4. Счётчик сделан из сверхчистого кварца, его объём равен либо 0.25 см³, либо 0.5 см³. Катод – полый цилиндр из высокоочищенного железа, анод – вольфрамовая проволока диаметром 12-25 мкм. Счётчик заполняется под давлением 1.1-1.2 атм на 93% аргоном и на 7% метаном.
    Распады ³⁷Ar распознаются с помощью энергии сигнала и времени нарастания импульса. Как уже отмечалось, основная мода распада ³⁷Ar - захват электрона с K-оболочки и излучение оже-электронов с полной энергией 2.82 кэВ. Активная область счётчика составляет около 100 мкм, а потому все электроны, образовавшиеся при ионизации газа счётчика оже-электронами, долетают до анода за одинаковое время, что приводит к короткому времени нарастания сигнала с анода (<5нс). Фон появляется из-за комптоновского рассеяния гамма-излучения на атомных электронах. Если энергия γ примерно равна 2.8 кэВ, то чтобы потерять всю энергию, γ-кванту потребуется большая область, чем диаметр счётчика. Поэтому фоновый сигнал будет пологим (время нарастания 10-100 нс).   Сигнал с анода подаётся на предусилитель, а потом на обычный усилитель и на временный полосовой усилитель (рис. 5). С обычного усилителя сигнал идёт на АЦП, на котором вычисляется энергия импульса. С помощью полосового усилителя определяется время нарастания импульса.

Рисунок 5. Схема обработки импульса с анода пропорционального счётчика

Каждая экспозиция длится 2-3 месяца, а подсчёты распадов ³⁷Ar в пропорциональной камере ведутся в течение 250-400 дней.
Согласно формуле (1), чтобы вычислить поток нейтрино от Солнца, необходимо знать эффективность счёта распадов ³⁷Ar пропорциональным счётчиком. ε_c определяется следующим образом. В счётчик помещается известное число атомов ³⁷Ar (обычно 10⁷-10⁸). Доля зарегистрированных распадов и есть значение эффективности счёта ε_c.

«Несолнечные» атомы ³⁷Ar

    Чтобы вычислить поток солнечных нейтрино, нужно знать интенсивность pns рождения фоновых, «несолнечных» атомов ³⁷Ar. Считается, что основной вклад в рождение таких атомов вносят космические лучи, α-частицы и нейтроны.
    Космические лучи. Мюоны высоких энергий из космических лучей проникают сквозь землю к детектору и взаимодействуют с ядрами детектора. При этом возникают p, n, ³He и другие частицы. В результате реакции ³⁷Cl(p,n)³⁷Ar рождаются «несолнечные» атомы ³⁷Ar.
    Чтобы учесть рождение «мюонных» ³⁷Ar, нужно провести дополнительные эксперименты. Бочка с C₂Cl₄ объёмом 6800 л помещается на четырёх разных глубинах в шахте и измеряется интенсивность рождения ³⁷Ar. Потом проводится аппроксимация результатов с учётом изменения энергии мюонов и их потока. На глубине расположения детектора характерная энергия мюонов 300 ГэВ, поток ~4м^-2день^-1. Оценено, что вклад космических лучей в рождение ³⁷Ar равен 0.047±0.013 день^-1.
    Нейтроны. Нейтроны появляются вследствие реакций (α,n) с легчайшими ядрами, а α-частицы рождаются в распадах U и Th, содержащихся в горных породах. ³⁷Ar рождается в цепочке реакций ³⁵Cl(n,p)³⁵S → ³⁷Cl(p,n)³⁷Ar (образовавшиеся в реакции ³⁵Cl(n,p)³⁵S протоны инициируют реакцию ³⁷Cl(p,n)³⁷Ar). Порог первой реакции с захватом нейтрона равен 1 МэВ.
    Чтобы оценить интенсивность рождения ³⁷Ar от нейтронов, проводится следующий эксперимент. Бочка с концентрированным раствором Ca(NO₃)₂ помещается в камеру с детектором. Атомы аргона извлекаются из раствора, и подсчитывается их число. Затем Ca(NO₃)₂ облучается нейтронами от
Pu-Be источника нейтронов и измеряется интенсивность рождения ³⁷Ar в этом случае. Потом Pu-Be источник помещается в трубу, вставленную в бочку, и снова измеряется интенсивность рождения ³⁷Ar. После нормировки и калибровки полученных интенсивностей находится искомая интенсивность рождения ³⁷Ar в бочке C₂Cl₄ от нейтронов горных пород

(4)

где нижний индекс указывает на раствор, который облучается нейтронами, а верхний индекс – на источник нейтронов.
Оказывается, в открытом детекторе и в детекторе, затопленном водой.
α-частицы. В этом пункте учитывается α-радиоактивность элементов самого детектора (например, стенок бочки) и делать какие-то расчёты интенсивности рождения аргона сложнее, чем в предыдущих случаях. Оценка верхней границы рождения ³⁷Ar из-за α-радиоактивности детектора равна
~0.017 день^-1.

Анализ данных и результаты

Регистрация солнечных нейтрино в эксперименте в Хоумстейк велась с 1970 по 1994 годы. За это время было проведено 108 экспозиций, из которых 93 экспозиции использовались при анализе результатов (в 15 экспозициях наблюдались большие ошибки, которые связали с неполадками в работе детектора). Зарегистрировано 2200 событий, которые можно принять за распады атомов ³⁷Ar.
Все события, полученные за время проведения эксперимента, анализируются по энергии сигнала и по времени нарастания импульса. Эти два критерия отбора событий позволяют отбросить большую часть фона.

Рис. 6. (Сверху вниз) Спектр с пропорционального счётчика, заполненного активным ³⁷Ar; полный спектр 93 экспозиций солнечных нейтрино в период 0-105 дней после извлечения атомов аргона из бочки; полный спектр 93 экспозиций солнечных нейтрино в период 105-175 дней после извлечения атомов аргона из бочки

Так как ³⁷Ar имеет период полураспада 35 дней, большинство атомов распадается за 105 дней (87.5%) после извлечения из бочки. По прошествии 175 дней в счётчике остаётся всего около 3% атомов ³⁷Ar. Поэтому в спектре событий, выбранных в качестве кандидатов распадов ³⁷Ar за первые 105 дней наблюдений в пропорциональных счётчиках, содержаться истинный сигнал и фон. А в спектре событий, произошедших в период со 105 по 175 день наблюдений в счётчиках, содержится только фон. Проведя соответствующую нормировку двух спектров, вычитанием из первого спектра второго получится спектр распадов атомов ³⁷Ar (рисунок 6).
Интенсивность образования атомов ³⁷Ar в реакции захвата солнечных нейтрино ³⁷Cl(ν_e,e^-)³⁷Ar в детекторе Хоумстейк равна

0.478±0.030±0.029 день^-1.

Значение интенсивности потока солнечных нейтрино (которые могут быть зарегистрированы детектором)

2.56±0.16±0.16 SNU,

что приблизительно в три раза меньше теоретического потока солнечных нейтрино по Стандартной модели Солнца (Sackman, Boothroyd & Fowler, 1990)

Различие экспериментального и теоретически предсказанного потоков нейтрино с Солнца получило название проблемы солнечных нейтрино. В качестве её решения в 1969 году Грибов и Понтекорво (и позднее Вольфенштейн) предложили гипотезу нейтринных осцилляций, которая впоследствии была развита в работах Михеева и Смирнова и теперь известна как МСВ-эффект. Проблема солнечных нейтрино нашла окончательное решение в экспериментах нейтринной обсерватории в Садбери (SNO).

Эксперимент SNO

Sudbury Neutrino Observatory – это нейтринная обсерватория, в которой проводилась регистрация солнечных нейтрино от ⁸B с помощью черенковского излучения. Детектор SNO расположен на глубине 2092 м от поверхности земли в шахте Крейгтон около города Садбери, Онтарио, Канада. Детектор представляет собой сферу диаметром 12 м, сделанную из акрилового волокна толщиной 5.5 см (рис. 7). Ёмкость заполнена тяжёлой водой D₂O и окружена 9456 фотоэлектронными умножителями. Детектор погружён в очищенную воду H2O.

Рис. 7. Детектор SNO

С помощью дейтрона из тяжёлой воды можно регистрировать все три типа нейтрино. Основные реакции, по которым идёт детектирование:

ν_e + d → p + p + e^-	(CC)	(5)
ν_x+ e^-→ ν_x + e^-	(ES)
ν_x + d→ p + n + ν_x	(NC)

Во всех реакциях проявляется угловая корреляция на Солнце. СС-реакция имеет большее эффективное сечение, чем ES-реакция. Обе эти реакции детектируются через черенковское излучение, испущенное электроном отдачи. Пороговая кинетическая энергия для электрона, чтобы он был зарегистрирован на SNO через черенковское излучение, равна 5 МэВ.
Пороговая энергия нейтрино в NC-реакции равна 2.2 МэВ – энергии связи дейтрона. Образующийся в этой реакции нейтрон замедляется до тепловых скоростей и захватывается каким-нибудь ядром. Это ядро испускает γ-квант, который через комптоновское рассеяние атомных электронов взаимодействует со средой. Рассеянный электрон может быть обнаружен с помощью черенковского излучения. Эффективность детектирования зависит от эффективности захвата нейтрона. Например, нейтрон может быть захвачен дейтерием. При этом образуется тритий и γ-квант с энергией 6.25 МэВ. Но этот процесс происходит лишь в 29.9% случаев. Эффективность захвата нейтронов можно увеличить до 83% добавлением соли NaCl в тяжёлую воду. Захват нейтрона ядром хлора приводит к каскаду γ-квантов с пиком около 8 МэВ.

Рисунок 8. Сравнение измеренного потока солнечных нейтрино в хлор-аргонном эксперименте, двух галлий-германиевых экспериментах (SAGE и GALLEX/GNO), двух водных черенковских экспериментах (Камиоканде и Супер-Камиоканде) и эксперименте на тяжёлой воде в SNO с теоретическими расчётами. Высота столбцов, соответствующих теоретическим предсказаниям сделана одинаковой для облегчения сравнения с экспериментальными данными. Регистрация всех сортов нейтрино детектором SNO решила проблему солнечных нейтрино

Так как все реакции (5) регистрируются по черенковскому излучению электронов, все события перемешиваются и надо приложить дополнительные усилия, чтобы связать каждое событие с конкретной реакцией. Чтобы наблюдать только события, связные с рождением и захватом нейтронов (NC-реакцию), внутрь детектора помещаются пропорциональные счётчики, заполненные ³He. Изотоп гелия ³He имеет большое сечение захвата тепловых нейтронов. В результате захвата образуются протон и тритон, которые ионизируют газ в счётчике. Поэтому в пропорциональной камере образуется электрический импульс.
Потоки нейтрино от 8, измеренные в SNO на каждой реакции (5):