Исследование метода регистрации солнечных нейтрино с помощью литиевого детектора тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.04.01, кандидат физико-математических наук Петухов, Валерий Вячеславович

• Петухов, Валерий Вячеславович
• кандидат физико-математических наук
• 2010

Оглавление диссертации кандидат физико-математических наук Петухов, Валерий Вячеславович

Введение. Современное состояние исследования солнечных нейтрино

1. Стандартная солнечная модель

2. Неопределенности в расчетах и корреляции потоков солнечных нейтрино

3. Проблема солнечных нейтрино

4. Осцилляции нейтрино.

4.1. Некоторые сведения о формализме осцилляции

4.2. Краткая сводка экспериментальных данных по осцилляциям

5. Некоторые нерешенные вопросы

6. Детекторы солнечных нейтрино

7. Литий-бериллиевый детектор солнечных нейтрино

Глава 1. Физическая мотивация необходимости постановки литиевого эксперимента

1.1. Основные задачи литиевого эксперимента

1.2. Краткий обзор современных стандартных солнечных моделей

1.3. Расчет эволюции содержания изотопов и потоков нейтрино в отсутствие переноса веъцества

1.4. Модель с переносом вещества между центром и периферией

1.4.1. Частный случай перемешивания

1.4.2. Общий случай перемешивания

1.5. Что литиевый эксперимент может добавить к современному представлению о процессах на Солнце?

Глава 2. Фоновые процессы в литиевом детекторе.

7 **

2.2. Образование ядер Be от нуклонов космических лучей на поверхности

2.2.1. Энергетическое и угловое распределение нуклонной компоненты космических лучей

2.2.2. Моделирование прохождения нуклонов космических лучей через литиевую мишень

2.2.3. Образование каскадных протонов от нуклонов космических лучей

2.2.4. Образование испарительных протонов

2.2.5. Результаты

2.3. Фон от радиоактивных примесей влитии

2.4. Расчет образования 7Be в литиевой мишени под воздействием нейтронов

2.4.1. Реакции, приводящие к образованию ядер Be 1Ъ

2.4.2. Схема вычислений

2.4.3. Вычисление скорости образования Be в расчете на один нейтрон

2.4.4. Сравнение расчетов с экспериментальными данными

2.4.5. Расчет фонового эффекта в детекторе

2.5. Фон от мюонов космических лучей

2.5.1. Интенсивность потока мюонов в месте расположения детектора

2.5.2. Энергетический спектр вторичных частиц

2.5.3. Фон, обусловленный взаимодействиями мюонов в литиевой мишени

2.5.4. Фон, обусловленный частицами, образованными'мюонами при взаимодействии с окружением мишени

Глава 3. Извлечение атомов Be из металлического лития

3.1. Введение

3.2. Проверка технологии извлечения 7Be на тестовой установке.

3.2.1. Подготовка образца, содержащего изотоп 7Be

3.2.2. Лабораторная (тестовая) установка для проверки эффективности извлечения 'Be

3.3. Получение ацетилацетоиата бериллия

3.4. Проект модуля литиевого детектора

3.5. Выводы

Глава 4. Методы счета единичных атомов

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Исследование метода регистрации солнечных нейтрино с помощью литиевого детектора»

у

4.2. Регистрация Be в пропорциональном счетчике 105

4.2.1. Исследование летучести соединений бериллия 105

4.2.2. Оптимизация параметров и режима работы пропорционального счетчика в одноэлектронной области 109

4.2.3. Выбор рабочего газа 115

4.2.4. Измерения фона 117

4.2.5. Плоский пропорциональный счетчик 120 у

4.3. Регистрация Be в криогенном детекторе 123 j

4.4. Регистрация Be в детекторе из сверхчистого германия 127

4.4.1. Оценка эффективности регистрации у-квантов у от распадов Be в германиевом детекторе 127 v 7

4.4.2. Ожидаемое количество событий от распадов Be 128 7

4.4.3. Моделирование событий от распадов Be в германиевом детекторе 129 Заключение. 132 Приложение Л.

Соотношения между углами и энергиями в реакциях нейтронов с литием. 134 Приложение Б.

7 7 7

Выход Be в реакции

Li(p,n) Be 137

Литература. 140

Введение.

Современное состояние исследования солнечных нейтрино.

Заключение диссертации по теме «Приборы и методы экспериментальной физики», Петухов, Валерий Вячеславович

Заключение.

Сформулируем основные результаты диссертации:

1. Проведены расчеты, показывающие принципиальную возможность увеличенного по сравнению с ССМ потока нейтрино от реакции С+е +ve , обусловленную перемешиванием между центральной и внешними областями Солнца.

2. Показано, что литий-бериллиевый эксперимент по регистрации солнечных нейтрино позволит, совместно с данными других экспериментов, сделать выбор между солнечными моделями с различным содержанием металлов, включая модели с перемешиванием.

3. Проведен расчет каналов фона в литий-бериллиевом детекторе солнечных нейтрино. Показано, что вклад от внешних источников фона 0.15 SNU) пренебрежимо мал по сравнению с эффектом от солнечных нейтрино

22 SNU с учетом осцилляций).

4. Измерена радиационная загрязненность образцов лития, который планируется использовать в качестве мишени. Установлено, что содержание урана и тория в образце менее 4-10'10 г/г. При такой концентрации этих элементов величина фона от изотопов соответствующих рядов составляет менее 1% от ожидаемого эффекта от солнечных нейтрино.

5. На лабораторных установках отработана процедура извлечения бериллия из металлического лития с эффективностью извлечения более 95%, при этом потери лития в результате процедуры извлечения не превышают 1%. Установлено, что извлечение бериллия из металлического лития должно проводиться в термостатическом режиме, т.е. нет необходимости манипулировать температурой во время процедуры извлечения с целью получения большей эффективности этого процесса. Это позволит не только упростить технологический процесс, но и существенно уменьшить потребление энергии.

6. Изучены термодинамические свойства соединений бериллия, которые можно использовать для измерения активности 7Ве в пропорциональном счетчике или другом газонаполненном детекторе.

7. Измерена эффективность счета 7Ве в пропорциональном счетчике при температуре 200°С (60%). Показана принципиальная возможность измерения активности извлеченного бериллия с высокой эффективностью в криогенном детекторе. Кроме того, с помощью моделирования по методу Монте-Карло показано, что возможна регистрация распадов 7Ве в полупроводниковом детекторе из сверхчистого германия с удовлетворительной точностью (погрешность измерения скорости образования Be в литиевом детекторе от солнечных нейтрино может составить 10% за пять лет при регистрации распадов с помощью HPGe детектора массой 4 кг).

В заключение автор выражает глубокую признательность Г.Т.Зацепину за неизменный интерес и поддержку и научному руководителю А.В.Копылову, под непосредственным руководством которого выполнялась большая часть работ, составляющих эту диссертацию. Автор искренне благодарен также И.В.Орехову и Е.А.Яновичу за неоценимую помощь в исследованиях и плодотворные обсуждения. Хотелось бы выразить искреннюю признательность Г.Я.Новиковой, без которой были бы невозможны работы по экстракции бериллия и синтезу его соединений, а также В.Э.Янцу, сконструировавшему и изготовившему пропорциональные счетчики для измерений при высокой температуре. Автор также благодарит В.Н.Гаврина, Ю.И.Захарова и А.Е.Соломатина, в соавторстве с которыми были выполнены некоторые работы.

Список литературы диссертационного исследования кандидат физико-математических наук Петухов, Валерий Вячеславович, 2010 год

1. Thomson, Sir William On the Age of the Sun's Heat 1. Macmillan's Magazine, 1862. v.5, pp.288-293

2. S.Turck-Chieze Solar Interior: Standard Models II in Encyclopedia Of Astronomy And Astrophysics, ed. P.Murdin, Nature Publishing Group, 2002

3. C.F. von Weizsacker Uber Elementumwandlungen im Innern der Sterne. I II Physik. Z.,1937. v.38, p. 176

4. H.A.Bethe and C.L.Critchfield The Formation of Deuterons by Proton Combination II Phys. Rev., 1938. v.54, p.248

5. H.A.Bethe Energy production in Stars II Phys. Rev., 1939. v.55, p.436

6. J.N.Bahcall Solar Models: an Historical Overview II Nucl.Phys.B, 2003. v. 118, p.77

7. John N.Bahcall How the Sun Shines II SLAC Beamline, 2001. v.31, No.l, p.2

8. J.N.Bahcall, M.H.Pinsonneault, S.Basu Solar models: current epoch and time dependences, neutrinos, and helioseismological properties II Astrophys. J. 2001. v.555, p.990

9. W.C.Haxton Neutrino Astrophysics II arXiv:nucl-th/0808.0735, 2008

10. C.F. von Weizsacker Uber Elementumwandlungen in Innern der Sterne. IIII Physik. Z., 1938. v.39, p.633

11. G.W.Collins, II The Fundamentals of Stellar Astrophysics II The Ohio State University, 2003

12. B.Ricci, G.Fiorentini Helioseismology, solar models and solar neutrino II Nucl. Phys. В Proc. Suppl., 2000. v.81, p.95

13. B.Ricci Solar models and solar neutrinos II www.fe.infn.it/~ricci

14. G.Fiorentini, B.Ricci How long does it take for heat to flow through the sun? 11 ArXiv: astro-ph/9702133

15. J.N.Bahcall, A.M.Serenelli, S.Basu New Solar Opacities, Abundances, Helioseismology, and Neutrino Fluxes II ApJ, 2005. v.621, L85

16. C.Pena-Garay, A.M.Serenelli Solar neutrinos and the solar composition problem // arXiv:0811.2424v 1 astro-ph.

17. J.N.Bahcall, R.K.Ulrich Solar Models, Neutrino Experiments, and Helioseismology И Rev. Mod. Phys., 1988. v.60, #2, p.297

18. H.Costantini, A.Formicola et al. (LUNA collaboration) LUNA: a Laboratory for Underground Nuclear Astrophysics И Rep. Prog. Phys., 2009. v.12, p.086301

19. C.Pena-Garay Solar Neutrinos and Solar Composition И XTTT International Workshop on "Neutrino Telescopes", 2009

20. J.N.Bahcall, A.M.Serenelli, S.Basu 10,000 Standard Solar Models: A Monte Carlo Simulation И Astrophys.J.Suppl.Ser., 2006. v. 165, p.400

21. Данные со страницы http://www.sns.ias.edu/~jnb/

22. S.Turck-Chieze What We Know and don't Know about Neutrino Production in the Stars? И In Proc. of the NEUTRINO 2006, Santa Fe, USA

23. R.Davis (Jr) et al. Search for neutrinos from the Sun И Phys.Rev.Lett.1968. v.20, p.1205.

24. B.T.Cleveland et al. Measurement of the solar electron neutrino flux with the Homestake chlorine detector И Astrophys. J. 1998. v.496, p.505.

25. Р.Дэвис Полвека с солнечными нейтрино И УФН, 2004. т. 174, №4, с.40836

26. J.N.Bahcall et al. Present status of the theoretical predictions for the CI solar-neutrino experiment II Phys. Rev. Lett. 1968. v.20, p. 1209

27. C. Amsler et al. Solar Neutrinos Review Revised December 2007 by K.Nakamura // Particle Data Group, PL, 2008. V.B667, p.l

28. J.N.Bahcall How many sigma's is the solar neutrino effect? И Phys. Rev. C, 2002. v.65, p.015802

29. SAGE Collaboration, J.N.Abdurashitov et al. Measurement of the solar neutrino capture rate in SAGE I/ Nucl.Phys.Proc.Suppl., 2003. v.l 18, p.39

30. GALLEX Collaboration, W.Hampel et al. GALLEXsolar neutrino observations: Results for GALLEX IVII Phys. Lett. B, 1999. v.447, p. 127

31. GNO Collaboration, M.Altmann et al. Complete results for five years of GNO solar neutrino observations II Phys. Lett. B, 2005. v.616, p. 174

32. Kamiokande Collaboration, Y.Fulcuda et al. Solar neutrino data covering solar cycle 22 И Phys. Rev. Lett., 1996. v.11, p.168333