ИЗВЕСТИЯ РАН. СЕРИЯ ФИЗИЧЕСКАЯ, 2015, том 79, № 3, с. 442-445
УДК 539.123
СОВМЕСТНЫЙ АНАЛИЗ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ДАННЫХ ПО ПОИСКУ НЕЙТРИНО ОТ ЗВЕЗДНЫХ КОЛЛАПСОВ НА ДЕТЕКТОРАХ LVD И БПСТ
© 2015 г. Н. Ю. Агафонова1, В. В. Ашихмин1, М. М. Болиев1, В. В. Волченко1, Г. В. Волченко1, В. Л. Дадыкин1, И. М. Дзапарова1, Е. А. Добрынина1, Р. И. Еникеев1, М. М. Кочкаров1, Ю. Ф. Новосельцев1, Р. В. Новосельцева1, А. С. Мальгин1, В. Б. Петков1, 2, О. Г. Ряжская1, И. Р. Шакирьянова1, В. Ф. Якушев1, А. Ф. Янин1 и коллаборация LVD1 E-mail: vole4ka86@mail.ru, novoseltsev@inr.ru
Приведены предварительные результаты поиска нейтринных всплесков от коллапсирующих звезд по экспериментальным данным двух установок: Баксанского подземного сцинтилляционного телескопа ИЯИ РАН (БПСТ) и Large Volume Detector (LVD), Gran-Sasso. Также проведено исследование частоты совпадений одиночных импульсов, измеренных этими детекторами, в которых используется одинаковый сцинтиллятор. Для совместного анализа изучались данные, полученные в 2012 г. Результаты можно объяснить случайными совпадениями фоновых событий в LVD и БПСТ.
DOI: 10.7868/S0367676515030059
ВВЕДЕНИЕ
23 февраля 1987 г. в галактике Большое Магелланово облако, на расстоянии приблизительно 50 кпк от Земли вспыхнула Сверхновая SN1987A [1]. Работавшими в то время подземными детекторами (LSD, БПСТ, Камиоканде и IMB) были зарегистрированы вспышки нейтринного излучения в два момента времени: в 2:52 и 7:35 UT [2]. Впоследствии был проведен поиск совпадений во временном окне длительностью 1 с между одиночными импульсами для различных пар детекторов. В результате было обнаружено статистически значимое превышение количества совпадений между событиями в детекторах LSD [3] и БПСТ [4] и детекторах LSD и Камиоканде около 2:52 UT [5]. Темп счета одиночных случайных совпадений в течение определенного временного интервала между событиями на различных экспериментальных установках представляет интерес ввиду необходимости оценки фонов при поиске нейтринного излучения от гравитационных коллапсов звезд. Также необходим непрерывный поиск кластеров событий, которые могут быть интерпретированы как регистрация вспышки нейтринного излучения.
1 Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт ядерных исследований Российской академии наук, Москва.
2 Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт астрономии Российской академии наук, Москва.
1. ЭКСПЕРИМЕНТЫ LVD И БПСТ
Детектор LVD [6], прототипом которого являлся детектор LSD, зарегистрировавший 5 импульсов в течение 7 с в 2:52 UT 23 февраля 1987 г., имеет массу мишени (сцинтиллятора и железа) в 7 раз больше, чем LSD. Он расположен в Италии в подземной лаборатории LNGS (Национальная лаборатория Гран-Сассо) на глубине 3600 м в.э. Детектор LVD — подземный железно-сцинтилляцион-ный калориметр с общей массой 2 кт (1 кт жидкого сцинтиллятора и 1 кт железа). В состав детектора входят 840 независимых сцинтилляци-онных счетчиков, размеры которых составляют 1.5 х 1 х 1 м. Внутренний объем каждого счетчика заполнен жидким сцинтиллятором, масса которого равна 1200 кг, и просматривается тремя фотоумножителями ФЭУ-49Б или ФЭУ-125.
LVD может регистрировать все типы нейтрино: электронные антинейтрино, благодаря реакции обратного бета-распада
ve + p ^ e+ + n, n + p ^ D+y, Ey=2.2 МэВ; и нейтрино всех типов по их взаимодействию с ядрами Fe56 и C12:
ve + (A, Z) ^ e- + (A, Z + 1); ve + (A, Z) ^ e- + (A, Z + 1)*, A* ^ A + y, для Fe56 (Ey) = 7 МэВ;
Vi + (A, Z) ^ v+ (A, Z)*, A* ^ A + y, для C12 {Ey) = 15 МэВ, i = ||, T.
Для каждого счетчика записываются данные о времени прихода и амплитуде импульса, превы-
шающего порог 5 МэВ. При срабатывании этого сигнала открываются временные ворота длительностью 1 мс с энергетическим порогом 1 МэВ. Таким образом, становится возможной регистрация как позитронов, так и гамма-квантов, образующихся при захвате нейтронов, рожденных в реакции обратного бета-распада.
Измерение всех типов нейтрино и их идентификация очень важны, так как дают необходимую информацию о последней стадии эволюции звезд [2].
Детектор БПСТ [4] расположен на Северном Кавказе под склоном горы Андырчи на эффективной глубине 850 м в.э. БПСТ имеет размеры 17 х х 17 х 11 м и состоит из четырех горизонтальных и четырех вертикальных плоскостей, на которых расположены сцинтилляционные счетчики. Пять плоскостей являются внешними, а три нижние горизонтальные плоскости — внутренними. Счетчик имеет размеры 0.7 х 0.7 х 0.3 м, полное число независимых счетчиков в БПСТ — 3184, общая масса сцинтиллятора составляет примерно 0.3 кт. Внутренний объем счетчиков заполнен жидким сцинтиллятором и просматривается фотоумножителем ФЭУ-49Б. Порог срабатывания соответствует энерговыделению 8 МэВ в счетчике. В детекторах LVD и БПСТ используется один и тот же жидкий сцинтиллятор на основе уайт-спирита. Данный сцинтиллятор, помимо крайне низкой себестоимости, обладает практически стационарными параметрами при надлежащих условиях эксплуатации [7].
2. ПОИСК НЕЙТРИННОГО ИЗЛУЧЕНИЯ ОТ КОЛЛАПСИРУЮЩИХ ЗВЕЗД
Поиск антинейтринного излучения в рамках модели стандартного коллапса [2] базируется на реакции обратного бета-распада: ve + p ^ n + e+. Поскольку средняя энергия рожденного позитрона составляет около 15 МэВ, взаимодействие электронного антинейтрино в сцинтилляторе будет приводить в основном к срабатыванию только одного счетчика как в детекторе LVD, так и в детекторе БПСТ. Таким образом, откликами указанных экспериментальных установок на вспышку нейтринного излучения от гравитационного коллапса звезды являются серии срабатываний счетчиков выше порога регистрации (5 МэВ для LVD и 8 МэВ для БПСТ) длительностью около 20 с (временные кластеры).
С целью уменьшения фоновых одиночных событий при поиске временных кластеров в детекторе LVD было принято решение об исключении из рассмотрения данных со счетчиков, в которых наиболее вероятны взаимодействия продуктов естественной радиоактивности, т.е. со счетчиков, которые расположены близко к окружающим гор-
Таблица 1.
BUST
LVD
kBUST N(kBUST) (к) креак
3 31885 16.5 15
4 4647 16.5 15
5 494 16.6 14
6 30 17.9
7 4 15 ..
Примечание. A^bust) — число кластеров на БПСТ, (к) — среднее по распределению число событий в кластерах LVD, kpeak — число событий, при котором наблюдается пик распределения (из-за малой статистики для kBusT = 6 и 7 пик не наблюдается).
ным породам. Всего для дальнейшего анализа были отобраны 520 счетчиков в детекторе LVD.
В детекторе БПСТ, вследствие более высокого порога срабатывания счетчиков и меньшей глубины расположения, основным источником фона являются мюоны космических лучей, поэтому в детекторе БПСТ в качестве мишени используются 1200 счетчиков трех нижних (внутренних) горизонтальных плоскостей.
После отбора счетчиков проводился поиск совпадений временных кластеров, зарегистрированных на установках LVD и БПСТ. Длительность каждого кластера не превышает 20 с. В LVD более высокая масса мишени и более низкий порог срабатывания счетчиков (620 т и 5 МэВ), чем в БПСТ (130 т и 8 МэВ). Вследствие приведенной разницы в параметрах установок при их одновременной регистрации вспышки нейтринного излучения множественность временного кластера в LVD будет в среднем в 5—6 раз выше, чем в БПСТ. Использовался следующий алгоритм поиска: для каждого кластера в БПСТ с фиксированной множественностью ищется кластер с наибольшей множественностью в LVD, начало которого раньше не более чем на 10 с. В результате были получены распределения кластеров LVD по множественности при фиксированном числе событий в кластерах БПСТ. Параметры указанных распределений представлены в табл. 1.
Как видно из представленных экспериментальных результатов, среднее и наиболее вероятное число событий в кластерах LVD практически не изменяются с ростом множественности кластеров БПСТ. Это означает, что события (в кла-
444
АГАФОНОВА и др.
N
^BUST — 6
_1_i_I_i_I_i_I_i_L
8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28
^LYD
Рис. 1. Распределение по множественности кластеров LVD, совпадающих по времени с кластерами из 6 событий в БПСТ.
стерах) являются фоновыми, а не откликами детекторов на вспышки нейтринного излучения.
На рис. 1 представлено распределение по множественности кластеров LVD, совпадающих с кластерами БПСТ, в которых зарегистрировано по шесть событий. В случае реальной регистрации вспышки нейтринного излучения, в соответствующем кластере LVD было бы 30—35 событий. Как видно из представленного распределения, оно резко обрывается при значении множественности 26 (два события), что указывает на отсутствие откликов на вспышку нейтринного излучения.
Также проводился поиск кластеров в БПСТ, начало которых запаздывало не более чем на 10 с относительно кластеров LVD с заданными значениями множественности. Поиск таких совпадений был проведен для трех диапазонов значений множественности кластеров LVD: 11—15, 21—25 и 41—50 событий в кластере соответственно. Полученные распределения множественности класте-
K II BUST LSD LSD
i и
i
uiJiuiii
j i
ii i i j i
И J I_I_L
2:52
7:35
10 UT
Рис. 2. Временная диаграмма совпадений одиночных импульсов, зафиксированных различными детекторами (LSD и Камиоканде, LSD и БПСТ) 23 февраля 1987 г. Время между импульсами менее одной секунды.
ров БПСТ представлены в таблице 2. Как видно, при увеличении множественности кластеров LVD среднее значение множественности кластеров БПСТ остается практически неизменным, что также указывает на то, что события (в кластерах) являются фоновыми.
3. ПОИСК ОДИНОЧНЫХ СОВПАДЕНИЙ
Помимо поиска совпадений кластеров событий в LYD и БПСТ также проводился поиск совпадений одиночных импульсов в детекторах. Методика анализа предельно проста: время между одиночными событиями на разных установках должно быть менее одной секунды. В результате была получена средняя величина темпа счета совпадений, равная четырем событиям в сутки. Для сравнения, 23 февраля 1987 г. вблизи времени 2:52 UT в течение 2 ч было зарегистрировано 13 совпадений одиночных импульсов в детекторах LSD и БПСТ. Время между одино
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.