Перспективы - INR RAS ИЯИ РАН

Лаборатория нейтринной
астрофизики ОЛВЭНА
Достижения и перспективы
Темы научных исследований ЛНА
(в плане ИЯИ РАН)
• Высокогорные исследования астро- и ядернофизического
аспектов ШАЛ и взаимодействий адронов при энергиях 1014 –
1018 эВ
• Тёмная материя и темная энергия в астрофизике
космических лучей. Межзвездная и межгалактическая среда:
активные и протяженные объекты
• Космические лучи сверхвысоких энергий
• Поиск двойного безнейтриного бета-распада изотопа 76Ge
• Топология магнитного поля, динамика Солнца и потоки
нейтрино
• Нейтринные эксперименты в Фермилабе
• Регистрации когерентного рассеяния нейтрино на ядрах
• Новые свойства атомных ядер и нейтрино и их роль в
формировании новых явлений в физике и астрофизике
Высокогорные исследования астро- и ядернофизического аспектов ШАЛ и взаимодействий
адронов при энергиях 1014 – 1018 эВ
Достижения
1. Впервые 10 лет назад (до начала работы LHC)
на основании изучения компланарности
потоков энергии в стволах молодых ШАЛ было
показано существование сильных
азимутальных корреляций наиболее
энергичных вторичных адронов в сильных
взаимодействиях при энергиях Е0 ≳ 1016 эВ
(√s ≳ 5 ТэВ).
2. Впервые была разработана концепция
тяжелого (≳12 т) ИСЗ с ионизационнонейтронным калориметром нового типа,
позволяющим непосредственно регистрировать частицы ПКИ до E0 ≳ 1016 эВ.
dN/d|y|
dN/dη
Высокогорные исследования астро- и ядернофизического аспектов ШАЛ и взаимодействий
адронов при энергиях 1014 – 1018 эВ
0.4
10
FANSY 2.0 QGSJ
CMS NSD (system)
√s=7 TeV NSD
8
√s=7 TeV NSD
JHEP05 (2011) 064
0.3
Ks0
6
1.0
R
Ds+/D и D*/(D*+D)
0.8
ALICE (stat.)
FANSY 2.0
0.6
0.2
0.4
arXiv:1005.3299v2 [hep-ex] 6 Jul 2010 The
CMS Collaboration. Transverse-momentum
and pseudorapidity distributions of charged
hadrons in pp collisions at √s = 7 TeV
4
0.1
2
Λ0
0.2
0.0
-1
0
1
η3
2
0
2
4
|y|8
6
100
1000
QGSJET II 04
FANSY 2.0
EHS-NA22
100
+
0
π p→ρ
EL = 250 GeV
0.0
+
Ds+/D
1
0
Ds+/ D20
dσ/dXF, μb
-2
ds/dXF, m b
dσ/dXF, mb
-3
+
D*+/(D*++D
3 )
4
100
π+p → D±,0,s
pLab = 250 GeV/c
10
±,0,s
+
K p→D
pLab = 250 GeV/c
10
10
1
1
FANSY 2.0
Sybill 2.3rc1
E769
1
FANSY 2.0
Sybill 2.3rc1
E769
FERMILAB-Pub-96/084
0.1
0.1
0.0
0.2
0.4
0.6
0.8
XF
1.0
-0.2
0.1
0
0.2
0.4
0.6
0.8
X
1F
-0.2
FERMILAB-Pub-96/084
0
0.2
0.4
0.6
0.8
X
1F
3. Для изучения генерации адронов в переднем конусе (“forward physics”) в КЛ при
высоких и сверхвысоких энергиях разрабатывается модель FANSY 2.0, включая
варианты с компланарной генерацией адронов. FANSY 2.0 воспроизводит
ускорительные данные при низких энергиях и основные (имеющие отношение к
КЛ) результаты LHC
Высокогорные исследования астро- и ядернофизического аспектов ШАЛ и взаимодействий
адронов при энергиях 1014 – 1018 эВ
Перспективы
1. Продолжение исследований в области “forward physics” на Тянь-Шане и,
возможно, на Памире совместно с ФИАН.
2. Продолжение разработки модели FANSY 2.0 (адрон-ядерные
взаимодействия) в широком диапазоне энергий (1011 – 1021 эВ)
3. Продолжение работ по тяжелому ИСЗ с ионизационно-нейтронным
калориметром нового типа для исследований частиц ПКИ до E0 ≳ 1016 эВ на
околоземной орбит (проект включен в ФЦКП с 2018 г.)
Тёмная материя и темная энергия в астрофизике космических лучей.
Межзвездная и межгалактическая среда: активные и протяженные объекты
Аннигиляция темной материи в мелкомасштабных сгустках
Выполнена серия работ по теме аннигиляции темной материи в
мелкомасштабных сгустках, в которых получен ряд новых оригинальных
результатов относительно механизмов формирования и разрушения
сгустков темной материи и предсказаны возможные усиления аннигиляционного
сигнала. Работы имеют высокий уровень цитирования. Обзорная статья
В.С. Березинский, В.И. Докучаев, Ю.Н. Ерошенко "Мелкомасштабные сгустки
тёмной материи" УФН 184, 3–42 (2014)
по этой теме вошла в число лауреатов конкурса лучших обзорных статей УФН.
Точные решения в конформной теории гравитации
Методом 2+2-разложений найдены и исследованы точные решения в
конформной теории гравитации. Один из вариантов класса решений с
постоянной кривизной – “гравитационные пузыри” – чисто гравитационные
образования без вещества. Они могли рождаться за счет квантового
туннелирования "из ничего" (по выражению А. Виленкина) до стадии инфляции.
Второй класс решений имеет переменный скаляр кривизны. Представитель
класса в форме однопараметрического семейства конформно покрывается
решением Манхейма-Казанаса.
Тёмная материя и темная энергия в астрофизике космических лучей.
Межзвездная и межгалактическая среда: активные и протяженные объекты
Пики плотности темной материи вокруг ПЧД
Показано, что вокруг ПЧД сразу после их образования на космологической стадии радиационного
доминирования начинают формироваться пики
плотности из частиц ТМ за счет того, что в их
тепловом распределении имеются частицы с
малыми скоростями, которые остаются на
финитных орбитах вокруг ПЧД, не участвуют в
космологическом расширении и, накапливаясь,
формируют пики плотности. Сравнение
рассчитанного сигнала от аннигиляции частиц в
пиках с данными Fermi-LAT ограничивает сверху
космологический параметр плотности ПЧД. При
MBH > 10-8 Mʘ эти ограничения на несколько
порядков сильнее других известных ограничений
Задача Вайдья в диагональных координатах
В задаче о сферически-симметричной аккреции
излучения на черную дыру (задача Вайдья)
исследован переход от обычно применяемых
координат (v,r) к диагональным координатам.
Получены новые точные решения в случае
линейной массовой функции. Построен полный
набор диаграмм Картера-Пенроуза для
глобальной геометрии.
Диаграмма Картера-Пенроуза для
параметра аккреции α=1/8
Космические лучи сверхвысоких энергий
•Предложена и детально разработана теория
происхождения КЛСВЭ (протонов и ядер).
Она объясняет не только существование
ГЗК-обрезания в спектре при сверхвысоких
энергий, но предсказывает новые
особенности спектров протонов космических
лучей: провал («дип»), вызванный
взаимодействием первичных протонов с
фотонами микроволнового фонового
излучения, избыток частиц в спектре ниже
ГЗК-обрезания (т.н. «бамп») из-за
накопления взаимодействующих частиц.
•Вычислены спектры КЛСВЭ в различных
теоретических моделях происхождения.
•Теоретически предсказан и объяснён
переход от спектра галактических лучей к
спектру метагалактических космических
лучей при энергии Е> 1018эВ
•Разработан метод калибровки детекторов
по наблюдаемому дипу в спектре КЛ, что
позволяет согласовать разрозненные
данные всех существующих экспериментов.
Спектры (HiRes, TelescopeArray, Auger)
Спектры эксперимента Auger с
использованием калибровки λ=1.22
Результаты имеют очень высокий индекс цитирования
Поиск двойного безнейтриного бета-распада изотопа 76Ge
Международный проект GERDA
(совместно с БНО и ОЭФ)
Первая фаза эксперимента
GERDA состоит из системы германиевых
детекторов (обогащенных 76Ge) в пассивной
защите из жидкого аргона. В 2013 г.
закончена первая фаза эксперимента.
Получен верхний предел для периода
полураспада 76Ge: T1/2> 2,1∙1025 лет (90%)
(лучший результат в мире).
Получен предел на двойной бета распада (2νββ) 76Ge на три возбужденных уровня
76Se: Т >(1,6-2,3)·1023 лет (на два порядка лучше предыдущих значений). Для
1/2
двойного бета распада изотопа 76Ge c участием майорона (0νββχ(Majoron)
получен предел T1/2>4.2×1023 лет (90%) (на порядок лучше предыдущих значений)
Вторая фаза эксперимента
2014-2015 гг. – подготовка второй фазы эксперимента с целью снизить индекс
фона на порядок (до 10-3 /год/кэВ/кг). В процессе подготовки :
-увеличена масса используемых детекторов в 3 раза (до ~50 кг)
-разработана система антисовпадений с использованием сцинтилляционных
сигналов жидкого аргона
- улучшены фоновые характеристики отдельных детекторов.
В начале 2016 г. установка запущена на экспозицию и начат набор статистики.
Поиск двойного безнейтриного бета-распада изотопа 76Ge
Отдельная задача для ИЯИ – разработка
и создание установки для очистки
отходов германия, образующихся в
процессе создания германиевых
детекторов.
Совместно с ИХВВ РАН разработана
технология по восстановления диоксида
германия и зонной очистки германия до
электронной степени чистоты. К
настоящему моменту создан
действующий макет установки и
проводятся его испытания
Система оптических волокон для регистрации
сцинтилляционного сигнала от жидкого
аргона и новая система германиевых
детекторов
Большой сцинтилляционный детектор на БНО ИЯИ РАН
Перспективы
Большой сцинтилляционный детектор на БНО ИЯИ РАН ( 10 кт)
(регистрации потоков нейтрино низкой энергии)
• геонейтрино (измерено потоков антинейтрино от распада изотопов
238U, 232Th, 40K в Земле).
• солнечные нейтрино (CNO цикл)
• реакторные антинейтрино (уточнение параметров осцилляций)
• регистрация нейтрино от взрыва сверхновых
• регистрация диффузного нейтринного фона (Supernovae Relic Neutrinos)
Большой сцинтилляционный детектор на БНО ИЯИ РАН
Создание прототипа сцинтилляционного детектора на БНО
Задачи прототипа (200 л сцинтиллятора)
• Измерение характеристик детектора
(энергетическое разрешение)
• Измерение содержания примесей U, Th
в сцинтилляторе на уровне 10-16 (г/г)
• Демонстрация достижения низкого
уровня радиоактивного фона детектора
• Измерение стабильности
сцинтилляционных параметров детектора
• Измерение содержания радиоуглерода
14С на уровне 10-18 г/г
• Использование в качестве низкофоновой
установки для измерений содержания
радиоактивных примесей в различных
образцах
Топология магнитного поля, динамика Солнца и потоки нейтрино
Проведено комплексное изучение глобального магнитного поля Солнца в 21– 23
циклах солнечной активности (СА). Изучены широтная и долготная структуры
крупномасштабного фотосферного магнитного поля Солнца (МП) и определена
скорость его дифференциального вращения, используя измерения Wilcox Solar
Observatory, полученные за последние 3 цикла солнечной активности (СА).
•
Получены важные результаты:
• Показано, что глобальное магнитное поле фотосферы
Солнца характеризуется присутствием
а) 4-х зонной широтной структуры магнитного поля Солнца с

периодом 22 года. Рис.1. (Ось X- время в годах τ, У - широта
)
б) бегущих волн полярности магнитного поля, распространяющихся
от экватора к полюсам со скоростью 40 км/час и периодом 2–3
года.
Рис.2. (Ось X - время τ, У - широта Красным цветом показано МП
положительной полярности, синим – отрицательной на рис.1 и 2).
•




вычислена скорость вращения магнитного поля на разных широтах и найдено ее изменение во времени с периодом 11 лет.
Синий и черный цвет - вращение быстрое, красный и желтый – медленнее.
• Рис.3.
(Ось X – время в годах τ, Y – широта θ)

Топология магнитного поля, динамика Солнца и потоки нейтрино
•с) Выявлена чрезвычайно интересная квазистабильная (на протяжении
трех циклов солнечной активности (около 34 лет) долготная структура.
• Долготная структура была вычислена в различных системах координат,
вращающихся дифференциально как фотосфера, и в системах,
вращающихся с различными постоянными скоростями. Найдена скорость
вращения устойчивой долготной структуры.
Рис.4. Среднее за 34 года магнитное поле
на разных широтах Солнца как функция
долготы (по оси Х, в градусах). Свертка
на синодический период П = 30.31 день).
Явно присутствует ячеистая долготная
Структура с периодом 40 градусов
Перспективы:


• создание модели, описывающей структуру и динамику магнитного поля
Солнца и гелиосферы.
• расчет генерации потоков нейтрино в рамках этой модели
• изучение асимметрии магнитного поля в северном и южном полушариях
Солнца и гелиосферы для выявления характеристик среды распространения
космических лучей и нейтрино.
Нейтринные эксперименты в Фермилабе
Цель эксперимента NOvA (NuMI Off-axis νe Appearance) –
• изучение νμ → νe осцилляций нейтрино,
• определение фазы нарушения СР-инвариантности,
• иерархии масс нейтрино,
• уточнение параметров осцилляций нейтрино.
Используется мощный нейтринный пучок NuMI (Neutrino Main Injector) (W=700
кВт и Eν = 1–3 ГэВ) и два подобных детектора — ближний (БД) и дальний (ДД),
оптимизированные для регистрации взаимодействий электронных нейтрино.
БД с массой жидкого сцинтиллятора 0.3кт расположен в Фермилабе
ДД с массой 14 кт расположен на расстоянии 810 км и на глубине 4 м под
землей в районе Аш-Ривер (шт. Миниссота).
В 2015 г. работа группы ИЯИ в эксперименте включала определение
эффективности и чистоты регистрации событий, обусловленных
взаимодействием электронных и мюонных нейтрино в детекторах NOvA и
ожидаемого числа сигнальных и фоновых событий на дальнем детекторе
Цель эксперимента MINERvA – изучение рассеяния нейтрино на ядрах.
Программа эксперимента включает измерение сечений взаимодействия нейтрино
с различными ядерными мишенями от протона до свинца в области энергий
квази-упругого рассеяния, рождения резонансов и глубоко-неупругого рассеяния.
Эксперимент находится в стадии набора и анализа данных.
Нейтринные эксперименты в Фермилабе
Коллаборацией NOvA при экспозиции 2.74·1020 протонов в нейтринном пучке
NuMI на ДД было зарегистрировано 6 νe взаимодействий при ожидаемом числе
фоновых событий 0.99 ±0.11(syst), Избыток электронных событий на уровне 3.3σ
обусловлен νμ → νe осцилляциями, что позволяет исключить на 90%
доверительном уровне значения фазы нарушения СР-инвариантности δСР в
интервале 0.1 π – 0.5 π при обратной иерархии масс нейтрино.
На ДД было зарегистрировано 33 мюонных события от взаимодействия мюонных
нейтрино при ожидаемом числе 211.8 ± 12.5(syst). Получены квадрат разностей
масс Δm223=(2.52+0.2-0.18)·10-3 эВ2 и угол смешивания 0.38 < sin2 θ23 < 0.65 на
65% доверительном уровне. Получены результаты для обратной иерархии масс.
Область разрешенных
значений фазы δСР
как функция угла
смешивания sin2 2θ13
для нормальной
(верхний рис.) и
обратной иерархии
(нижний рис.)
масс нейтрино.
Ограничения на Δm223 и sin2 θ23 . Данные NOvA, Т2К
и МINOS в случае нормальной иерархии νm.
Регистрации когерентного рассеяния нейтрино на ядрах
Регистрация скрытых фотонов с помощью мультикатодного счетчика
Физическая задача – поиск гипотетических массивных векторных частиц
(скрытых фотонов = Hidden Photons), образующих холодную ТМ в Галактике.
Метод основан на допущении, что ТМ состоит целиком из НР заданной массы.
Это позволяет ставить пределы на смешивание между фотоном и скрытым
фотоном по одиночным электронам, эмитируемым из металлического катода
мультикатодного счетчика под действием НР.
С экспериментальной точки зрения необходимо проверить постулируемое
смешивание частиц ТМ с фотоном. Эксперимент чувствителен к конверсии
HP→фотон и не чувствителен к конверсии фотон → HP. Последнее требует
отдельной проверки.
Доступная для существующей (?) установки область закрыта из
астрофизических исследований в рамках рассматриваемых теоретических
моделей, разрешённая этими моделями область лежит на 2-3 порядка ниже по
величине константы смешивания. Приводимые астрофизические ограничения
получены для многоступенчатого процесса: конверсии обычного фотона в
скрытый фотон в условиях высоких температур и очень высоких плотностей
звездной плазмы (недоступно для экспериментальной проверки), пролета
скрытого фотона из недр звезды к лабораторной установке и конверсии скрытого
фотона в обычный фотон в рабочем объеме детектора.
Регистрации когерентного рассеяния нейтрино на ядрах
1.Впервые в мире предложен и
реализован метод регистрации
скрытых фотонов с массой от 5 эВ
до 10 кэВ по одиночным электронам,
эмитируемым из металлического
катода мультикатодного счетчика
под действием скрытых фотонов.
2. Впервые в мире в результате
прямых измерений на лабораторной
установке в диапазоне масс скрытых
фотонов от 5 эВ до 10 кэВ получен
предел на константу кинетического
смешивания χ.
Перспективы:
Повышение чувствительности путем
уменьшения скорости счета ложных
импульсов. Разработана новая
конструкция счетчика, которая
находится в стадии изготовления.
Новые свойства атомных ядер и нейтрино и их роль в формировании новых явлений в
физике и астрофизике