ЯДЕРНАЯ ФИЗИКА, 2004, том 67, № 4, с. 694-703
ЭЛЕМЕНТАРНЫЕ ЧАСТИЦЫ И ПОЛЯ
ИСПОЛЬЗОВАНИЕ РЕАКТОРОВ МАЛОЙ МОЩНОСТИ ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ ПАРАМЕТРА СМЕШИВАНИЯ зт2(2013)
© 2004 г. В. Н. Корноухов, А. С. Старостин*
Институт теоретической и экспериментальной физики, Москва, Россия Поступила в редакцию 18.09.2003 г.
Одной из актуальных задач нейтринной физики является измерение параметра смешивания 8ш2(20!з). В настоящее время обсуждаются проекты реакторных экспериментов с чувствительностью 8ш2(20!з) « 0.01. Практически все они основаны на схеме "один реактор—два детектора". Этот подход предполагает использование в качестве источника антинейтрино ядерного реактора мощностью в несколько гигаватт и два одинаковых по устройству детектора, расположенных на разных расстояниях от реактора. Систематическая ошибка в подобных экспериментах может составлять %, что и обеспечивает точность ~0.01. В настоящей статье предлагается использовать для измерения 8ш2(2$1з) существующую установку Бирег-Катюкапёе (БК) в сочетании со "своим" источником антинейтрино — ядерным реактором малой тепловой мощности (РММ) ^300 МВт. Подобный эксперимент может быть реализован в относительно короткое время. Как показал анализ, исследовавший разные механизмы детектирования, сочетание РММ—БКпозволяет получить чувствительность 8ш2(2013) « 0.002.
ВВЕДЕНИЕ
Изучение массовой структуры нейтрино считается одной из основных задач нейтринной физики. Эффективным инструментом для решения этой проблемы являются эксперименты по поиску нейтринных осцилляций. При наблюдении осцилляций появляется возможность измерить параметры матрицы Понтекорво—Маки—Накагава—Саката (ПМНС) [1, 2]: углы смешивания О12, О23, О13 и массовые параметры Дт^ = m2 — тДт22 = = т3 — т|, Дт^ = Дт^ + Дт22. Полная информация о параметрах матрицы позволяет определить структуру активных нейтрино. В частности, электронное нейтрино можно представить в виде суперпозиции массовых нейтринных состояний (v1, v2, v3) с определенными весовыми множителями:
ve = cos О12 cos 013v1 + (1)
+ sin0i2 cos O13V2 + SÍ11O13V3.
Последние годы отмечены серией положительных результатов в экспериментах по поиску ос-цилляций атмосферных, солнечных и реакторных нейтрино. Совместный анализ экспериментальных данных Super-Kamiokande [3], К2К [4] (атмосферные нейтрино), CHOOZ [5], Palo Verde [6], KamLAND [7] (реакторные нейтрино) и всех данных по солнечным нейтрино [8], включая результаты SNO [9], позволил сделать ряд выводов,
E-mail: starostin@vitep1.itep.ru
касающихся механизма осцилляций и частично определить параметры матрицы ПМНС. В предположении естественной иерархии нейтринных масс (ш1 <т2 < ш3) результаты совместного анализа [10, 11] перечисленных экспериментов следующие:
Дш2о1 = Дш?2 = 7.110:6 X 10-5 эВ, (2) sin2(20l2) = 0.82110:064; Дш^т = Дт23 ~ Дт23 = 3-2 х 10-3 эВ, sin2(202з) = 110:0.
В приведенных данных не хватает очень важного элемента — угла смешивания в13. К настоящему времени из анализа данных СН002 получено только ограничение на этот параметр [5]:
sm2(20lз) < 0.14 (3)
(90% С.Ь. при Дт2 = 2.5 х 10-3 эВ2).
Однако этого недостаточно для ответа на целый ряд важных вопросов фундаментальной физики. Помимо решения задачи по восстановлению структуры активных нейтрино (1) наличие отличного от нуля угла смешивания в13 является необходимым условием для проявления СР-нарушения в лептонном секторе. Поэтому чрезвычайно важным является установление ненулевого значения величины sm2(2013) или улучшение ограничения на ее значение, по крайней мере, на порядок.
Для решения этой задачи предложены масштабные по объему работ и по стоимости уско-
рительные эксперименты с использованием как стандартных нейтринных пучков (К2К [4] и MINOS
[12]), так и "сверхпучков": (JHF/Super-Kamiokande
[13] и NuMI [14]). Однако результаты тщательного анализа [15—17] показывают, что предпочтительным направлением для достижения максимальной чувствительности к параметру sin2(2013) являются реакторные эксперименты. В реакторных экспериментах, помимо преимущества в чувствительности, можно получить существенный выигрыш в стоимости и сроках проведения измерений.
1. РЕАКТОРНЫЕ ЭКСПЕРИМЕНТЫ
Для поиска осцилляций реакторных антинейтрино используют реакцию обратного ^-распада
ve + p e+ + n. (4)
В этом процессе практически вся энергия нейтрино, за вычетом энергетического порога 1.804 МэВ, передается позитрону. После поглощения аннигиляционных 7-квантов к суммарной переданной энергии добавляется еще 2 • 511 кэВ. Поэтому энергетический спектр реакции (4) в сцинтилляционном детекторе, где собственные энергетические пороги не превышают -100— 200 кэВ, начинается с — 1 МэВ. В черенковском детекторе собственный порог определяется кинетической энергией позитрона. К обсуждению этого вопроса мы вернемся несколько позже.
Задача по выделению реакции (4) над фоном существенно упрощается при использовании метода запаздывающих совпадений между сигналами от регистрации позитрона и нейтрона. Временной интервал между этими событиями зависит от поглотителя. При захвате нейтрона в воде время ожидания второго события достигает —1 мс, а выделяемая энергия равняется 2.2 МэВ. Если применять в качестве поглотителя нейтронов гадолиний, интервал сократится до 100 мкс, а суммарная энергия от каскада 7-квантов, возникающих при захвате нейтрона, составит —8 МэВ.
В реакторных экспериментах для поиска осцилляций используется принцип выбывания, когда электронное нейтрино меняет флейворное состояние (ve ) и не проявляет себя в реакции обратного в-распада. Это приводит к изменению счета и искажению позитронного спектра (4), вызванному осцилляциями. Для случая смешивания двух массовых состояний v1 и v3 вероятность перехода ve vT определяется выражением
- sin2(20i3 )sin2(p), (5)
где sin2(2013) — параметр смешивания, р = 1.27 х х Am21 LE-1, Дт31 — массовый параметр, E —
энергия антинейтрино и Ь — расстояние от реактора до детектора. Величина массового параметра известна из результатов анализа [10, 11]: Дт^! = 3+2 х 10_3 эВ. Оптимальное расстояние Ь для наблюдения перехода ие ^ ит определяется из условия достижения первого максимума в выражении (5) (<р & п/2). С учетом известных параметров оно составляет Ь & 2 км.
Не исключено, что 8ш2(2013) может оказаться много меньше существующего экспериментального предела (3). Поэтому уже в первых реакторных экспериментах нового поколения для измерения угла смешивания в13 потребуется точность порядка 1 %. Необходимая статистическая точность может быть обеспечена за счет увеличения массы детектора. В эксперименте CHOOZ нейтринная мишень имела массу 5 т, а статистическая ошибка равнялась 2.8%. Поэтому в новых экспериментах для достижения точности > 1% масса детектора должна быть не менее 50 т. Более сложной проблемой представляется уменьшение систематической погрешности измерений. Она складывается из неопределенности сечения реакции (4), эффекта выгорания реакторного топлива и соответствующего изменения потока нейтрино, неопределенности в эффективности регистрации нейтринных событий и в числе протонов в мишени. В эксперименте CHOOZ систематическая ошибка, вызванная перечисленными причинами, составила 2.7%. Для ее уменьшения авторами проекта Kг2Det [15] был предложен метод "один реактор—два детектора", основанный на одновременном использовании в эксперименте двух идентичных (по размерам и устройству) детекторов. Один из них, "ближний", располагается на расстоянии 100—150 м от реактора, в зоне пренебрежимо малого эффекта осцилляций. Он служит для измерения неискаженного по-зитронного спектра. Второй, "дальний", находится в области наиболее эффективного наблюдения осцилляций, на расстоянии 1000—2000 м от реактора. Сигнал о наличии эффекта осцилляций и его параметрах можно получить при сравнении позитрон-ных спектров ближнего и дальнего детекторов. При этом результаты анализа для идентичных детекторов не зависят от точного знания параметров реактора, спектра антинейтрино, концентрации атомов водорода, а различия в эффективности регистрации и эффективных объемов детекторов легко учитываются. Таким образом, устраняются основные источники систематической ошибки. Расчеты [15, 16] показали, что в эксперименте, выполненном по схеме "один реактор—два детектора", систематическая ошибка не превысит 0.5%.
В работе [17] был проведен развернутый анализ различных подходов для достижения в реакторных экспериментах чувствительности 8ш2(2013) <
Рис. 1. Предел чувствительности параметра вт2(2#13) как функция интегральной светимости для различных значений нормировки ошибок аъогт и аса\ [17].
< 0.01. Авторы также придерживались схемы эксперимента с одновременным использованием ближнего и дальнего детекторов, отличающихся лишь размерами. В качестве основной характеристики эксперимента принималась интегральная светимость L = масса детектора [т] х тепловая мощность реактора [ГВт] х продолжительность измерений [лет]. Это позволило провести анализ чувствительности для двух категорий установок: Reactor-I, со светимостью С\ = 40о т ГВт лет и Reactor-II, со светимостью в 20 раз большей, Lii = 8000 т ГВт лет. Было введено два вида систематических ошибок: CTnorm — суммарная ошибка, включающая неопределенности параметров нейтринного потока и параметров ближнего и дальнего детекторов; aca\ — ошибка энергетической калибровки детектора. Помимо этого был принят ряд условий, касающихся свойств детекторов.
1) Для уменьшения систематической ошибки ближний и дальний детекторы, за исключением объемов, должны быть полностью идентичны.
2) Ближний детектор в 10 раз меньше дальнего и располагается на расстоянии ~ 100—170 м от реактора, в зоне отсутствия осцилляций. Расстояние между реактором и дальним детектором в 10 раз больше. В свою очередь счет ближнего детектора должен на порядок превышать счет дальнего.
В результате анализа была получена зависимость предела в измерениях sin2(2013) от инте-
гральной светимости. Как видно из рис. 1 [17], при С > 104 т ГВт лет чувствительность эксперимента в измерениях sm2(2013) приобретает вид <^С-1/2 и слабо зависит от систематических оши
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.