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.