Введение - ИЯИ РАН
advertisement
Введение По теме Физики космических лучей и нейтринной астрофизики существует ряд фундаментальных проблем, решение которых важно для выяснения вопросов о происхождении космических лучей в широком диапазоне энергий (в том числе, через образование черных дыр), их распространения в космическом пространстве и регистрации научными установками, а также свойств темной материи. Космические лучи сверхвысоких энергий могут дать уникальную информацию о характере взаимодействий частиц при энергиях, недоступных в обозримом будущем на ускорителях, и о свойствах источников космических лучей. Вероятными астрофизическими источниками космических лучей сверхвысоких энергий и нейтрино могут служить черные дыры в ядрах галактик и сверхновые, поэтому их исследование представляет большой интерес. 1.1. Наземные астрофизические эксперименты невозможны без использования расчетов развития атмосферных ядерно-электромагнитных каскадов, инициируемых частицами первичного космического излучения (ПКИ) при энергии E0 ≳ 1011 эВ. Модели пакета CORSIKA, отлажены с использованием результатов широких атмосферных ливней (ШАЛ) на уровне моря. Тем не менее, не существует модели, которая описывает все данные по ШАЛ, Данные высокогорных рентгено-эмульсионных камер (РЭК) при этом не принимаются во внимание, хотя именно техника РЭК позволяет регистрировать группы наиболее энергичных частиц (, e, h) (т.н. гамма-адронные семейства) в составе стволов ШАЛ, наиболее чувствительные к изменениям моделей. Кроме того, большинство семейств порождено протонами, что уменьшает неопределенности, связанные с составом ПКИ. В целом, -h семейства могут быть использованы для настройки моделей при s 1 – 20 ТэВ (E0 1015 – 51017 эВ). Тенденция к выстроенности самых энергичных объектов в -h семействах при E0 ≳ 1016 эВ также требует своего описания. Наконец, в последнее время появились данные эксперимента LHCf на коллайдере LHC, которые также не описываются моделями, используемыми пакетом CORSIKA. Таким образом, необходимо разработать модель, которая в состоянии описать все четыре группы независимых и взаимодополняющих друг друга экспериментальных данных. 1.4. Физика нейтрино играет уникальную роль в исследованиях свойств слабого взаимодействия. Но еще важнее то, что изучение свойств нейтрино является одним из направлений, которые могут привести к расширению Стандартной Модели. Особенно это 12 стало очевидным благодаря результатам экспериментов с атмосферными, солнечными, реакторными и ускорительными нейтрино, где было установлено, что нейтрино осциллируют. Одно из простых объяснений этого явления – нейтрино, рожденное в определенным слабом состоянии, имеет массу и является суперпозицией собственных состояний. Эффекты осцилляций зависят от двух разностей квадратов масс нейтрино и трех углов смешивания. Значения этих параметров измерены в различных экспериментах, но данные все еще не полные. Уточнение значений параметров осцилляций позволит существенно сузить выбор моделей, претендующих на описание механизма генерации масс лептонов. Имеется еще ряд важных вопросов, а именно: а) нарушается ли, и как сильно СР-инвариантность в лептонном секторе и б) какова иерархия масс нейтринных состояний. В настоящее время большинство экспериментов по изучению осцилляций нейтрино проводятся с ускорительными дальними нейтрино (long base-line neutrino experiments). Для уменьшения статистической ошибки (<3%) используются пучки нейтрино высокой интенсивности в области энергий 0.2-5 ГэВ. Для уменьшения систематических ошибок используют два детектора, один из которых находится на близком расстоянии от источника нейтрино, где эффекты осцилляций незначительны. Важнейшие источники систематических неопределенностей – ошибки в потоках и спектрах нейтрино, а также в сечениях их взаимодействия с веществом. В указанной области энергий нейтринных пучков доминируют процессы квазиупругого рассеяния нейтрино на ядрах и процессы, связанные с рождением барионных резонансов. Их сечения измерены с точностью 20-30%. Даже в пределах таких больших ошибок некоторые результаты противоречат друг другу. Т.о., неопределенности в нейтринных сечениях являются одной из ключевых проблем для прецизионных измерений значений параметров нейтринных осцилляций. 1.6. Для комплексного изучения Солнца важное значение имеет исследование динамической связи между топологией магнитного поля, гелиосферой и магнитосферой вращения Солнца. 1.7.1. В настоящее время заметно возросла активность зарубежных исследователей по созданию детекторов с низким порогом. В США наивысшим приоритетом обозначены работы на сильноточных пучках ускорителей с целью генерации интенсивных пучков нейтрино от распада остановившихся пи-мезонов и мюонов. Регистрировать нейтрино предлагается на специально разработанных детекторах с низким порогом, на которых ранее планировали поиск темной материи. Поскольку при малых энергия отдачи ядра нейтрино рассеивается когерентно, скорость счета получается значительной даже при 13 сравнительно небольших массах детектора. Изучение когерентного рассеяния интересно в плане новых открытий за пределами стандартной теории. Есть у этой темы и прикладной аспект. Использование детекторов когерентного рассеяние перспективно в плане мониторинга атомных реакторов. Спектр разрабатываемых детекторов довольно широк, здесь и криогенные и полупроводниковые и жидкостные одно- и двухфазные, а также газовые детекторы. Кооперация РЭД (Русский эмиссионный детектор) планирует создать двухфазный эмиссионный детектор с 100 кг ксенона для регистрации когерентного рассеяния антинейтрино от реактора. В планах этой кооперации также использование эмиссионного детектора для регистрации когерентного рассеяния нейтрино от распада остановившихся пи-мезонов и мюонов, генерированных на интенсивном пучке протонов сильноточного ускорителя лаборатории Оук Ридж в США. В физике существенным моментом является подтверждение полученного результата в независимом эксперименте, желательно проведенном с использованием отличной от первого методики и другим коллективом исследователей. Планируется создание газового детектора с низким порогом (менее 1 кэВ) для регистрации антинейтрино от реактора. 1.7.2. В работах, проведенных с целью отработки технологии извлечения бериллия из металлического лития, в качестве материала для корпуса литиевого детектора хорошо проявил себя титан. (Опыты с нержавеющей сталью показали, что она непригодна для этого по причине образования в литии коррозионного осадка, который слабо растворим в водных растворах, что существенно затрудняет дальнейшую работу по концентрации и очистке бериллия.) Согласно дальнейшим исследованиям, использование титана при температурах не выше 300 градусов по Цельсию, этой проблемы не возникает. В основном, это связано с его высокой коррозионной стойкостью. При обычных температурах химическая активность титана чрезвычайно мала. В расплавленном литии титан практически не коррозирует, и лишь при температурах выше 300–400°С скорость его коррозии в литии может достигать 1 мм/год. Связано это с тем, что на поверхности чистого титана быстро появляется тончайшая (в несколько ангстрем) пленка диоксида титана, предохраняющая его от дальнейшего окисления. Однако, при достижении некоторого предела концентрации кислорода в титане, возможно проникновение в него лития, а также отслаивание окалины в виде TiO, что может повлиять на постоянство коэффициента извлечения бериллия в долговременной перспективе (планируемое время эксперимента - 5 лет). Тот факт, что бериллий при извлечении находится в окисных пленках, позволяет сделать его извлечение максимально простым, при этом накладывая ряд ограничений на чистоту лития. Для уменьшения потерь самого металла и улучшения экстракции бериллия и условий работы узлов установки, необходимо минимизировать 14 содержание азота при наличии достаточного (не избыточного) количества кислорода в литии. Другими словами – необходим регулятор газовых примесей внутри самой установки. Наиболее простым и технологичным решением представляется использование внутреннего вкладыша из материала, активного по отношению к требуемым элементам (т.е. геттера) и коррозионно-стойкого в металлическом литии при рабочих температурах установки. В качестве такого материала рассматривается ванадиевый сплав (V-Ti-Cr). Матрица сплава (ванадий) имеет более высокую химическую активность к газовым примесям (азоту, углероду) по сравнению с литием. Свободная энергия образования оксида лития значительно ниже, чем энергия образования оксидов титана и ванадия. Поэтому при контакте с жидким литием ванадий будет поглощать азот и углерод и отдавать кислород в расплав, где он будет образовывать оксиды с еще более активным бериллием. В присутствии азота в литии ванадиевый сплав образует стабильные тройные химические соединения типа VlLimNn . При этом сами нитридные пленки на поверхности ванадиевого сплава должны быть устойчивыми, чтобы предохранять его от излишней коррозии в литии. Для этого в ванадий и вводятся легирующие добавки титана и хрома в различных пропорциях (созданием таких сплавов в РФ занимается ОАО ВНИИНМ). Для определения состава сплава с наиболее устойчивыми антикоррозионными свойствами в условиях переменной концентрации азота в расплаве лития необходимы ресурсные испытания. 1.7.3. Нейтрино генерируется внутри Солнца в реакциях водородной цепочки и в CNO цикле. Вклад последнего составляет примерно 1% в полную светимость Солнца, но нейтрино, генерируемые в этом цикле, могут нести ценную информацию о процессах, протекающих в недрах Солнца, невидимых для существующих методов измерений. Величины потоков CNO нейтрино зависят главным образом от концентраций C и N в центре Солнца, как это было сформулировано еще на заре нейтринных исследований Солнца Г.Т.Зацепиным, В.А.Кузьминым [21], Дж. Бакалом [22]. С тех пор достигнут огромный прогресс в исследовании солнечных нейтрино [23-35]. Высокая температурная зависимость CNO цикла уже не является существенной проблемой, поскольку показано, что поток борных нейтрино достаточно близок к предсказанному солнечной моделью. Благодаря корреляции потоков борных и CNO нейтрино, как это было впервые показано в [36], а затем (более детально) в [37], неопределенность температуры в центре Солнца не является главным фактором изменяющим потоки CNO нейтрино. Современные данные по содержанию тяжёлых элементов в фотосфере находятся в конфликте с данными гелиосейсмологии. Это составляет главную интригу современных исследований. Каков химсостав в центре Солнца – это проблема, которая до сих пор не решена. Кроме того, 15 профили концентраций элементов по радиусу Солнца очень сильно отличаются. Содержание 14 N меняется всего лишь в 4 раза в то время как содержание 12 C изменяется более чем на два порядка величины. Это может иметь серьезные последствия для потоков нейтрино. Показано, что если существует перемешивание, пусть даже очень слабое, незаметное по каким-либо другим эффектам, это может значительно исказить профиль для 12C и, как следствие, поток нейтрино от 13N. В Лаборатории Лептонов высоких энергий в 2012 году исследования проводились по двум темам: « Исследование анизотропии и вариаций космических лучей 1011 – 1020 эВ№ и «Тепловые нейтроны в широких атмосферных ливнях и окружающей среде». В рамках первой из этих тем проводились исследования вариаций космических лучей во время гроз и исследования аномальной волны атмосферного электрического поля «хорошей погоды», ранее обнаруженной во время этих исследований на Баксанской нейтринной обсерватории. Исследования по второй из этих тем включали, с одной стороны, исследования на установках в Москве и на Баксане, и с другой стороны, работы по созданию и развертыванию высокогорного прототипа установки PRISMA из 7 эн-детекторов в Тибете (Янгбаджинг, КНР) совместно с китайскими коллегами в рамках Договора о научном сотрудничестве между ИЯИ РАН и Институтом физики высоких энергий Китайской академии наук (Пекин). На Галлий-германиевом нейтринном телескопе (ГГНТ) в Баксанской нейтринной обсерватории ИЯИ РАН выполняется программа исследования нейтринного излучения от термоядерных реакций, протекающих в Солнце. Эти измерения обеспечивают постоянный мониторинг низкоэнергетической части потока нейтрино. Галлий-германиевый нейтринный телескоп входит в мировую сеть подземных телескопов по исследованию потоков нейтрино от Солнца. Разрабатывается проект, направленный на использование уникальных возможностей Галлий-германиевого переходов нейтринного электронных нейтрино телескопа в для стерильные исследования состояния. осцилляционных В центр Ga жидкометаллической металлической мишени телескопа массой 50 тонн, разделённой на две независимые зоны, внутреннюю 8 т, и внешнюю 42 т, с равными средними длинами пробегов нейтрино, предполагается поместить источник 51Cr активностью 3 МКи. В случае статистически обеспеченного различия между величинами скорости захвата нейтрино в каждой зоне, либо отличия между средней скоростью захвата в обеих зонах и ожидаемой величиной, будет получено прямое указание на нестандартные свойства нейтрино. Полученные результаты позволят определить разрешенные области параметров 16 наблюдаемых осцилляций. Простота интерпретации результатов обеспечивается тем, что искусственный источник производит монохроматический поток нейтрино, и нет систематических неопределенностей, связанных с неточным знанием спектра нейтрино. В комбинации с данными реакторных экспериментов, полученные результаты могут быть использованы для получения ограничения на область СРТ нарушения в секторе электронных нейтрино. Проект «Калибровочный эксперимент с искусственным источником нейтрино на основе радионуклида 51Cr на двухзонной галлиевой мишени» направлен на использование уникальных возможностей Галлий-германиевого нейтринного телескопа для исследования осцилляционных переходов электронных нейтрино в стерильные состояния. В центр Ga жидкометаллической металлической мишени телескопа массой 50 тонн, разделенной на две независимые зоны, внутреннюю 8 т, и внешнюю 42 т, с равными средними длинами пробегов нейтрино, предполагается поместить источник 51Cr активностью 3 МКи. В случае статистически обеспеченного различия между величинами скорости захвата нейтрино в каждой зоне, либо отличия между средней скоростью захвата в обеих зонах и ожидаемой величиной, будет получено прямое указание на нестандартные свойства нейтрино. Полученные результаты позволят определить разрешенные области параметров наблюдаемых осцилляций. Простота интерпретации результатов обеспечивается тем, что искусственный источник производит монохроматический поток нейтрино, и нет систематических неопределённостей, связанных с неточным знанием спектра нейтрино. В комбинации с данными реакторных экспериментов, полученные результаты могут быть использованы для получения ограничения на область СРТ нарушения в секторе электронных нейтрино. Исследования, проводимые в рамках данной темы, относятся к области фундаментальных исследований, получившей название “космомикрофизика” (в англоязычной литературе – “Astroparticle Physics”). Данная область исследований охватывает поиск и всестороннее изучение фундаментальных физических явлений и закономерностей, реализующихся на микроскопических и космологических масштабах и в быстропротекающих астрофизических процессах. С экспериментальной точки зрения речь идет об одновременном изучении свойств элементарных частиц и астрофизических явлений в экспериментах, использующих потоки частиц природного происхождения (в том числе - потоки частиц космического излучения). Исследования в области космомикрофизики привели к необходимости создания больших комплексов экспериментальных установок, возможности которых позволяют решать широкий круг современных научных проблем. В БНО ИЯИ РАН имеется уникальный комплекс 17 экспериментальных установок (Баксанский подземный сцинтилляционный телескоп, расположенная над ним ливневая установка “Андырчи” и комплексная ливневая установка “Ковер-2”), на которых в течение многих лет проводятся исследования в данной области фундаментальных исследований. Для выполнения исследований по данной теме необходимо, в первую очередь, обеспечить режим непрерывного набора информации на комплексе установок, для чего необходимо постоянно поддерживать работоспособность установок и проводить их модернизацию. В низкофоновых лабораториях Баксанской нейтринной обсерватории созданы уникальные условия для исследования редких процессов. 18
