научная статья по теме ПЕРВЫЙ РЕЗУЛЬТАТ ЭКСПЕРИМЕНТА ПО ИЗМЕРЕНИЮ МАГНИТНОГО МОМЕНТА НЕЙТРИНО НА УСТАНОВКЕ GEMMA Физика

Текст научной статьи на тему «ПЕРВЫЙ РЕЗУЛЬТАТ ЭКСПЕРИМЕНТА ПО ИЗМЕРЕНИЮ МАГНИТНОГО МОМЕНТА НЕЙТРИНО НА УСТАНОВКЕ GEMMA»

ЭЛЕМЕНТАРНЫЕ ЧАСТИЦЫ И ПОЛЯ

ПЕРВЫЙ РЕЗУЛЬТАТ ЭКСПЕРИМЕНТА ПО ИЗМЕРЕНИЮ МАГНИТНОГО МОМЕНТА НЕЙТРИНО НА УСТАНОВКЕ GEMMA

© 2007 г. А. Г. Беда1), В. Б. Бруданин2)*, Е. В. Демидова^, Ц. Вылов2), М. Г. Гаврилов1), В. Г. Егоров2), А. С. Старостин^**, М. В. Ширченко2)

Поступила в редакцию 19.02.2007 г.

Представлен первый результат эксперимента по измерению магнитного момента нейтрино, полученный на Калининской атомной станции на установке GEMMA. В качестве спектрометра использовался детектор из сверхчистого германия массой 1.5 кг, расположенный на расстоянии 13.9 м от центра активной зоны реактора. Плотность потока антинейтрино на детекторе равнялась 2.73 х х 1013 ve см-2 с-1. Для выделения событий электромагнитного рассеяния антинейтрино на электроне использовался разностный метод измерений. Сравнивались спектры, накопленные за 6200 и 2064 ч измерений соответственно при работающем и заглушенном реакторе. В результате анализа данных получено ограничение на величину магнитного момента антинейтрино: < 5.8 х 10-11^б на 90%-ном уровне достоверности.

PACS:14.60.Pq, 13.15.+g, 13.40.Em

ВВЕДЕНИЕ

Последние годы отмечены серией положительных результатов в экспериментах по поиску ос-цилляций атмосферных, солнечных и реакторных нейтрино. Совместный анализ экспериментальных данных позволил сделать вывод о существовании конечной нейтринной массы и механизма смешивания нейтринных состояний. Однако многие фундаментальные свойства нейтрино остаются до сих пор неизученными. Одним из неизвестных параметров нейтрино является его магнитный момент. В стандартной модели с минимальным расширением магнитный момент нейтрино (ММН) выражается через массу нейтрино ти и имеет очень маленькую величину, недоступную для наблюдения в современных экспериментах:

3eGp 19

(1)

где цв — магнетон Бора (цв = вН/2те). Вместе с тем в ряде расширений стандартной модели нейтрино вне зависимости от величины массы могут иметь магнитный момент порядка 10-10— 10"12цв [1—3]. Представление о величине ММН можно получить из анализа параметров некоторого класса

'-Институт теоретической и экспериментальной физики,

Москва, Россия.

2)Объединенный институт ядерных исследований, Дубна, Россия.

E-mail: brudanin@nusun.jinr.ru E-mail: starostin@itep.ru

звезд на последней стадии их эволюции, когда нейтринные потоки уносят подавляющую часть теряемой звездами энергии. Из оценок таких параметров, как массы гелиевых звезд в момент вспышки, светимость белых карликов и энергетический спектр нейтрино от взрыва сверхновой, следует ограничение ^ 0.01—0.1 х 10-10цв [4]. Выводы подобных оценок являются модельно-зависимыми. Поэтому крайне актуальным является увеличение чувствительности лабораторных измерений ММН, поскольку это позволило бы проверить выходящую за рамки стандартной модели гипотезу о существовании у нейтрино аномально большого магнитного момента.

История экспериментов по лабораторному измерению магнитного момента электронного антинейтрино насчитывает тридцать лет. В лабораторных опытах в качестве источников используются реакторные и солнечные (анти)нейтрино. Первая публикация о наблюдении процесса рассеяния антинейтрино на электроне появилась в 1976 г. Работа была выполнена на реакторе Саванна Ривер (США) группой Райнеса [5]. Позже, в 1989 г., основываясь на данных Райнеса по ^в-рассеянию, Фогел и Енгель получили ограничение на величину ММН: (2-4) х 10"10цв [6]. В 1992 и 1993 гг. были опубликованы результаты экспериментов, полученные на реакторах Красноярской и Ровенской АЭС группами из Курчатовского института [7] и Гатчины [8]. Ограничения на ММН, представленные этими группами, равнялись: 2.4 х 10"10цв и 1.9 х 10"10цв соответственно. Последние реактор-

1925

dü/dT, 10 45 см2/МэВ/дел./электрон

doEu/dT(Pv)

düW/dT

101

101

102

103 T, кэВ

Рис. 1. Дифференциальные сечения слабого (daw/dT) и электромагнитного (daEM/dT) ve-рассеяния при различных значениях ММН (цифры у кривых, в ед. 10_1VB), усредненные по спектру реакторных антинейтрино.

ные опыты выполнены Коллаборациями MUNU [9] и TEXONO [10] в 2001-2005 гг. В эксперименте MUNU получен верхний предел на величину ММН: 9.0 х 10"11 ßB. В работе TEXONO ограничение на ММН составило 7.2 х 10_11mb, что до сегодняшнего дня являлось самым сильным пределом (хотя способ обработки данных и получение указанного результата представляются спорными). Таким образом, за тридцать лет чувствительность реакторных экспериментов увеличилась чуть более чем в 3 раза.

Сопоставимый с реакторными экспериментами результат получен при исследовании солнечных нейтрино группой Super-Kamiokande [11]. Из анализа спектра электронов, рассеянных солнечными нейтрино, поставлен предел на величину ММН — 1.1 х 10"10ßB. Следует помнить, что результаты измерений ММН в "солнечных" и "реакторных" экспериментах могут различаться. В силу существования конечных нейтринных масс и процесса осцилляций состав потока (анти)нейтрино при распространении в вакууме меняется по закону [12]

\Ve(L)) = Ueke

—iEv L

\vk ),

где Еи — энергия нейтрино, Ь — расстояние до источника, иеи — элемент унитарной матрицы смешивания и к — индекс массовых состояний, индекс е отвечает первоначальному "флейворному" состоянию нейтрино. Одновременно с изменением состава нейтринного потока меняется эффективная величина магнитного момента:

м2 (Ev ,L) = Y,

Ueke

-iEv L

Mjk

где суммирование по j, к производится по массовым состояниям матрицы смешивания, /jk — магнитный момент, или константа, связывающая массовые нейтринные состояния Vj и с электромагнитным полем. Выше рассматривался эффект вакуумного смешивания. Однако для солнечных нейтрино основным механизмом преобразования нейтринного потока является резонансный переход — эффект Михеева—Смирнова— Вальфенстайна. Благодаря ему регистрируемый на поверхности Земли поток солнечных нейтрино является смесью е, / и (возможно) т-нейтрино. В реакторных экспериментах из-за короткой базы реактор—детектор поток содержит только электронные антинейтрино. Поэтому сопоставление результатов измерения ММН в реакторных и солнечных экспериментах несет дополнительную информацию и может оказаться очень продуктивным [12, 13].

В настоящей статье представлены первые результаты измерений ММН в эксперименте GEMMA. Работа выполнена группами Института теоретической и экспериментальной физики (Москва) и Объединенного института ядерных исследований (Дубна) на реакторе Калининской атомной электростанции (КАЭС).

ПОСТАНОВКА ЭКСПЕРИМЕНТА

Экспериментальные измерения ММН основаны на выделении его вклада в процесс рассеяния (анти)нейтрино на электроне. При ненулевой величине ММН дифференциальное сечение упругого ие-рассеяния (da/dT) является суммой сечений стандартного слабого (W) и электромагнитного (EM) взаимодействий — daW/dT и daEM/dT [6]:

daw ~dT~

G'2¥me 2тг

(l + 2 sin2 0\y)2 +

(4)

+ 4 sin2 Öw - 2 (1 + 2 sin2 Öw) sin2 Öw

(2)

meT E"2

da

EM

dT

I 7?, I I

TE

Mb

(5)

(3)

где Еи — энергия первичного нейтрино, Т — кинетическая энергия рассеянного электрона, г0 — радиус электрона (пг0 = 2.495 х 10"25 см2) и 9W — угол Вайнберга.

В реакторных экспериментах источниками антинейтрино служат энергетические водо-водяные реакторы тепловой мощностью порядка 3 ГВт. Измеряется суммарный спектр электронов отдачи

2

2

слабого и электромагнитного рассеяния, усредненный по спектру реакторных антинейтрино (рис. 1).

Из анализа дифференциальных сечений следует ряд важных для постановки эксперимента выводов. Во-первых, очень маленькая величина сечения, как и во всех нейтринных экспериментах, создает проблемы с соотношением эффект/фон и требует подавления всех фоновых составляющих. Во-вторых, при малых энергиях рассеянного электрона (T ^ ^ Ev) величина daw/dT практически не зависит от T, в то время как вклад от daEM/dT растет как 1/T. Поэтому понижение энергетического порога детектора приводит к улучшению чувствительности за счет резкого нарастания эффекта и снижения относительного вклада слабого взаимодействия.

Более пятнадцати лет назад М. Б. Волошиным и А. С. Старостиным (ИТЭФ) было предложено использовать в измерениях ММН низкофоновый германиевый спектрометр (НГС), сходный по характеристикам с установкой для поиска 2@-распада 76Ge [14]. Эта идея была реализована в рамках программы GEMMA (Germanium Experiment on the measurement of Magnetic Moment of Antineutrino) силами сотрудников ИТЭФ и ЛЯП ОИЯИ в 1997 г., когда был создан и испытан спектрометр на основе однокристального Ge(Li)-детектора [15]. Одним из достоинств НГС является низкий уровень собственных шумов и дополнительное подавление фона в области энергий ниже 100 кэВ, обусловленное поглощением мягкой составляющей внешнего радиационного излучения в "мертвых" слоях германиевого детектора (ГД). Сочетание этих качеств позволяет проводить измерения в энергетическом диапазоне ^2— 100 кэВ. Кроме того, НГС обладает еще целым рядом свойств, позволяющих добиваться рекордно низкого уровня радиационного фона [16]. Доля радиоактивных примесей элементов уран-ториевого ряда в германиевом монокристалле не превышает 10"14, что на 5—7 порядков ниже, чем в обычных относительно чистых металлах. Небольшие размеры ГД дают возможность использовать в качестве пассивной защиты от внешней радиации такие редкие и дорогие материалы, как электролитическую медь и свободный от радиоактивного изотопа 210Pb археологический свинец. Для защиты ГД от заряженной компоненты космического излучения и подавления комптоновской составляющей радиационного фона можно использовать большие сцинтилляционные кристаллы NaI(Tl).

СПЕКТРОМЕТР GEMMA

Наиболее сложной методической задачей является достижение фона порядка 1 —

2 соб. кэВ-1 кг-1 сут-1 в измерениях на поверхности Земли вблизи реактора. В ходе разработки спектрометра был проведен анализ различных подходов к решению этой задачи [15]. Делался выбор между установками с чисто пассивной защитой и Ge—NaI-спектрометрами. Нами был выбран последний вариант, обеспечивающий в условиях повышенной радиации и сильного космического излучения максимальное ослабление всех компонентов фона.

Подробное описание спект

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.

Показать целиком