ЯДЕРНАЯ ФИЗИКА, 2015, том 78, № 3-4, с. 294-306
ЭЛЕМЕНТАРНЫЕ ЧАСТИЦЫ И ПОЛЯ
ПОИСК ПРИМЕСИ СТЕРИЛЬНЫХ НЕЙТРИНО ПРИ РЕГИСТРАЦИИ РАСПАДОВ ТРИТИЯ В ПРОПОРЦИОНАЛЬНОМ СЧЕТЧИКЕ:
НОВЫЕ ВОЗМОЖНОСТИ
(© 2015 г. Д. Н. Абдурашитов, А. И. Берлев, Н. А. Лиховид, А. В. Лохов*, И. И. Ткачев, В. Э. Янц
Институт ядерных исследований РАН, Москва Поступила в редакцию 09.07.2014 г.
Предлагается эксперимент, направленный на поиск примеси стерильных нейтрино с массами в диапазоне 1—8 кэВ путем регистрации электронов от распада трития в пропорциональном счетчике. Примесь может быть обнаружена по специфическому искажению энергетического спектра электронов. Для указанных масс искажение распространяется на весь спектр, что позволяет использовать детекторы с относительно невысоким (порядка 10—15%) энергетическим разрешением. Классический пропорциональный счетчик является простым и естественным детектором распадов газообразного трития. Новизна подхода заключается, с одной стороны, в использовании газового пропорционального счетчика с цельнопаяным кварцевым корпусом, позволяющим снимать токовый сигнал напрямую с анодной нити и обеспечивающим высокую стабильность при длительных измерениях. С другой стороны, применение современных цифровых методов регистрации позволит проводить измерения в условиях высокой загрузки — вплоть до 106 Гц. В результате энергетический спектр электронов от распадов трития, содержащий 1012 отсчетов, можно будет набрать примерно за месяц. Такая статистика позволит поставить верхний предел на долю примеси стерильных нейтрино порядка 10~3 —10~5 на уровне достоверности 3а для ш3 в диапазоне 1—8 кэВ, что на 1—2 порядка лучше современных значений.
DOI: 10.7868/80044002715020026
1. ВВЕДЕНИЕ
Ненулевая масса нейтрино и существование темной материи, природа которой неизвестна, свидетельствуют о том, что стандартная модель физики частиц не полна. К числу наиболее естественных кандидатов на роль темной материи относятся стерильные нейтрино. Эти частицы появляются в большинстве расширений стандартной модели на случай массивных нейтрино. Стерильные (правые) нейтрино — это нейтральные лептоны. Являясь 5У(2)-синглетами, они не участвуют в слабых взаимодействиях. Однако, за исключением специальных вырожденных случаев, они смешиваются с активными (левыми) нейтрино и приводят к появлению дополнительных массовых состояний в спектре. С экспериментальной точки зрения в пользу существования стерильных нейтрино говорят результаты некоторых осцилляци-онных экспериментов с короткой базой (LSND и MiniBooNE), реакторная аномалия и результаты калибровки радиохимических экспериментов по
E-mail: lokhov@inr.ru
измерению потоков солнечных нейтрино, см. обзор [1]. Эти аномалии можно описать в предположении одного или двух легких стерильных нейтрино с массой порядка электронвольт. Гипотеза о существовании дополнительных легких нейтрино не противоречит современным космологическим данным по измерениям анизотропии реликтового излучения [2] и по распространенности легких элементов в свете теории первичного нуклеосинтеза [3]. Более того, эта гипотеза может снять [4, 5] существующие на сегодняшний день противоречия в наблюдениях Вселенной на малых и больших красных смещениях, а именно между данными эксперимента "Планк", локальными измерениями постоянной Хаббла и имеющейся статистикой больших скоплений галактик. С точки же зрения объяснения темной материи наиболее интересным является диапазон масс стерильных нейтрино в области 1 — 10 кэВ [6, 7].
По аналогии с тремя поколениями фермионов стандартной модели можно ожидать, что стерильные правые нейтрино также образуют поколения. Обнаружение одного поколения стерильных нейтрино придаст уверенности в существовании
ПОИСК ПРИМЕСИ СТЕРИЛЬНЫХ НЕИТРИНО 10- 1 ■
^ 10-
к
л я к
10-
к
к ^
к ч о РР
10-
10-5 10
100 101 102 103 Масса стерильного нейтрино тх, кэВ
104
Рис. 1. Пределы на примесь стерильных нейтрино в ядерных распадах (нумерация линий соответствует следующим экспериментам: 1 - 187Яе [13]; 2 - 3Н [14]; 3 - 63N1 [12]; 4 - 35 Б [15]; 5 -64Си [16]; 6 - 37 Аг ядра отдачи [17]; 7 -з8тк [18]; 8 - 20F [19]; 0 - оценка чувствительности предлагаемого эксперимента).
остальных поколений. Если одно из них образует темную материю, соотношение между массой и углом смешивания такого нейтрино существенно ограничено астрофизическими наблюдениями, такими, как поиск гамма-линии от распада стерильных нейтрино в галактических гало [8], см. обзор [7]. Эти ограничения не распространяются на остальные поколения. В связи с этим прямые лабораторные поиски стерильных нейтрино представляют особенный интерес как в области значений параметров, соответствующих сектору темной материи, так и вне ее. Обнаружение стерильных нейтрино даст ответ сразу на ряд фундаментальных вопросов физики частиц (структура массовой матрицы нейтрино, характер расширения стандартной модели, несохранение лептонного числа), астрофизики и космологии (темная материя).
2. ПОИСК ПРИМЕСИ МАССИВНЫХ НЕЙТРИНО В ЯДЕРНЫХ ^-РАСПАДАХ
Начало целенаправленных поисков примеси массивных нейтрино в ядерных ^-распадах в лабораторных условиях можно увязывать с оригинальной работой Симпсона [9], в которой было заявлено о наблюдении изгиба в спектре электронов трития в области 1.5 кэВ. Измерения проводились с использованием Б1(Ь1) полупроводникового детектора (ППД), в который тритий был внедрен путем имплантации. На основании этого наблюдения был сделан вывод о существовании нейтрино с массой 17.1 кэВ и вероятностью смешивания 3%. После этого Симпсон с соавт. опубликовал еще две
работы: по измерению спектра электронов трития, имплантированного в сверхчистый германиевый ППД [10], и спектра электронов 35Б, снятого внешним Б1(Ь1) ППД, без имплантации источника в детектор [11]. В приведенных работах оценка на примесь была снижена до ^0.6%, при этом подтверждалось присутствие тяжелых нейтрино с массой порядка 17 кэВ. Эти результаты привели к всплеску экспериментов, направленных на поиск таких нейтрино в распадах 14С, 63№, 177Ьи и некоторых других элементов. В целом ряде работ были получены в основном отрицательные результаты, исключавшие выводы Симпсона. Наиболее существенное на текущий момент ограничение на примесь массивных нейтрино было получено на магнитном спектрометре в Университете Цюриха по измерениям спектра электронов 63№. По этим измерениям верхний предел на примесь 17-кэВных нейтрино был оценен в 0.05% на 95%-ном уровне достоверности [12].
Несмотря на то что наличие примеси нейтрино с массой 17 кэВ на уровне 0.6% было опровергнуто независимыми экспериментами, поиск массивных (стерильных) нейтрино в ядерных ^-распадах в лабораторных условиях продолжился, хотя и не с такой интенсивностью. Современные ограничения на величину примеси отражены на рис. 1, где представлены верхние пределы на значение параметра смешивания ие2х для разных масс нейтрино тх. Рассматривается простой случай смешивания массивных стерильных нейтрино их с электронным флейворным состоянием активного нейтрино
ve. Рисунок подготовлен по опубликованным результатам лабораторных экспериментов последнего времени, в которых на основе детального анализа ядерных распадов проводился поиск примеси массивных стерильных нейтрино. Нумерация линий соответствует следующим экспериментам: I -187Re [13]; 2 - 3H [14]; 3 - 63Ni [12]; 4 - 35 S [15]; 5 - 64Cu [16]; 6 - 37Ar ядра отдачи [17]; 7 - 38mK [18]; 8 - 20F [19]. На этом рисунке не представлены пределы на примесь массивных нейтрино, полученные по тритию на магнитных спектрометрах в Троицке [20] и в Майнце [21]. Эти эксперименты были нацелены в первую очередь на регистрацию ^-спектра трития вблизи граничной энергии для точного измерения массы ve, поэтому пределы на примесь получены для mx в диапазоне 1-100 эВ. Однако в ближайших планах этих групп (проект KATRIN как продолжение эксперимента в Майнце) стоят измерения спектра в более широком диапазоне, позволяющем поставить пределы для масс порядка нескольких кэВ.
На этом же рисунке показан верхний предел на параметр смешивания, ожидаемый в результате предлагаемого эксперимента (помечен цифрой "О"). Предел получен моделированием экспериментального спектра с обеспеченностью 1012 событий; более подробно методика оценки описана ниже, в разд. 6.
3. ПОИСК ПРИМЕСИ МАССИВНЫХ НЕЙТРИНО В ^-РАСПАДЕ ТРИТИЯ В ПРОПОРЦИОНАЛЬНОМ СЧЕТЧИКЕ
С точки зрения методики обсуждаемого эксперимента наиболее интересны работы [22, 23], в которых исследовался ^-спектр трития в газовой пропорциональной камере. Работы выполнялись с целью проверки гипотезы 17-кэВных нейтрино, поэтому в основном на наличие изгиба исследовался участок спектра от 0.8 до 3.5 кэВ. Несмотря на это, некоторые методические особенности указанной работы имеют прямое отношение к предлагаемому эксперименту. В частности, была использована смесь Аг + 10%СН4 при давлении 0.5 атм; максимальная скорость счета — 2000 Гц. За 500 ч измерений статистическая обеспеченность по всему спектру составила примерно 109 событий, при этом авторы [22, 23] не сообщают о замеченной деградации газовой смеси. Далее отмечено наличие стеночного эффекта, который в основном проявил себя в области малых (до кэВ) энерговыделений. По этим измерениям верхний предел на примесь 17-кэВных нейтрино также был оценен в 0.2% на 90%-ном уровне достоверности.
Следует отметить одну раннюю работу, также имеющую прямое отношение к предлагаемому эксперименту. Речь идет об измерениях массы электронного (анти)нейтрино по форме ^-спектра трития вблизи граничной энергии. В работах [24, 25] был применен цилиндрический пропорциональный счетчик с газовой смесью на основе Хе + Аг + СН4 в различных соотношениях. Активность трития в счетчике не превышала 30 000 событий в минуту (500 Гц), о деградации смеси не сообщается. Также отмечается линейность шкалы и стабильность энергетического разрешения. Спектр трития исследовался в области выше 16 кэВ, ограничение на массу нейтрино составило 1 кэВ. С точки зрения методики важным моментом является также отмеченный пренебрежимо малый вклад стеночного эффекта в спектр электр
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.